[논문 리뷰] Heavy Higgs Scalars at Future Hadron Colliders (A Snowmass Whitepaper)

E. Brownson, Nathaniel Craig외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 22인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 향후 14 TeV 및 33 TeV 하드론 충돌기에서 두 개의 힉스 두중우 모델(2HDM)에서 무거운 힉스 스칼라( H 및 A)의 발견 잠재력을 평가한다. 마드그라프, 푸티아, 델포스를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해, 글루온 융합 및 ZZ 및 Zh로의 붕괴 경로를 통한 직접 탐색이 매개변수 공간의 일부 영역—특히 |cos(β−α)| ≲ 0.01 이며 tanβ ≲ 1 인 정렬 한계 근처—에서 정밀한 힉스 결합 측정만으로는 접근할 수 없는 추가적인 힉스 상태를 배제하거나 발견할 수 있음을 발견했다.

ABSTRACT

We investigate the prospects for discovery or exclusion of additional Higgs scalars at the 14 TeV and 33 TeV LHC in the context of theories with two Higgs doublets. We focus on the modes with the largest production rates at hadron colliders, namely gluon fusion production of a heavy CP-even scalar H or a heavy CP-odd pseudoscalar A. We consider the sensitivity of the decay channels H to ZZ to 4l, and A to Zh with Z to ll and h to bb or h to tautau.

연구 동기 및 목표

• 미래의 하드론 충돌기가 두 개의 힉스 두중우 모델(2HDM)에서 추가적인 중성 힉스 스칼라(H 및 A)에 대해 감도를 어떻게 가지는지 평가하기 위해.
• 현재의 힉스 결합 측정으로는 탐색되지 않는 2HDM 매개변수 공간 영역—특히 정렬 한계 근처—를 특정하기 위해.
• 확장된 힉스 섹터를 제약하는 데 있어 직접 탐색과 정밀한 힉스 결합 측정 간의 보완성을 평가하기 위해.
• 실제 피루프 조건을 고려한 14 TeV 및 33 TeV LHC 에너지에서의 무거운 힉스 보손에 대한 발견 및 배제 범위를 결정하기 위해.
• 빠른 시뮬레이션 도구를 사용해 검출기 효과 및 피루프 변동에 대한 결과의 견고성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 유형 I 및 II 2HDM에서 α 및 β 각도에 기반한 분석적 재가중을 통해 교차단면 및 붕괴 비율을 재조정한, 마드그라프를 사용한 H 및 A 생성의 신호 이벤트 시뮬레이션.
• 파트론 쇼어링 및 하드론화를 위해 푸티아를 사용하고, 일반적인 LHC 유사 검출기의 빠른 검출기 시뮬레이션을 위해 델포스를 사용.
• ggh@nnlo 및 [14]의 절차를 사용해 분석적으로 신호 단면적 및 붕괴 비율을 계산하였으며, 2HDM 매개변수 공간을 단순화하기 위해 λ₅=λ₆=λ₇=0으로 설정.
• 20% 배경 비율 불확실성을 가진 ZZ 및 Zh 최종 상태의 인variant 질량 분포를 사용해 발견 및 배제 잠재력을 평가.
• 피루프 효과를 포함한 다양한 통합 루미노스티티(300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹)와 중심질량 에너지(14 TeV 및 33 TeV)에서 성능을 평가.
• 감도 향상을 위해 bb 및 ττ 최종 상태의 결과를 조합하고, 기존의 정밀 측정으로부터의 힉스 결합 제약 조건과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV 및 33 TeV 하드론 충돌기에서 2HDM 내에서 무거운 CP-짝성 H 및 CP-홀드 A 힉스 보손의 발견 범위는 무엇인가?
• RQ2 정렬 한계(|cos(β−α)| ≲ 0.01) 및 낮은 tanβ 영역을 탐색할 때, 직접 탐색의 감도는 정밀한 힉스 결합 측정에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 다양한 2HDM 유형에서, 무거운 힉스 상태를 발견하는 데 가장 높은 감도를 보이는 붕괴 채널(H→ZZ 및 A→Zh)은 무엇인가?
• RQ4 특히 고루미노스티티 조건에서, 피루프 효과 및 검출기 조건 변화에 대해 결과는 얼마나 견고한가?
• RQ5 미래의 충돌기 데이터로 95% 신뢰수준에서 배제되거나 3σ/5σ의 유의수준에서 발견될 수 있는 tanβ 대 cos(β−α) 매개변수 공간의 영역은 어디인가?

주요 결과

• 3000 fb⁻¹의 통합 루미노스티티를 가진 33 TeV 충돌기는 |cos(β−α)| ≲ 0.01 이며 tanβ ≲ 1 인 매개변수 공간 영역에서의 무거운 힉스 상태를 배제하거나 발견할 수 있으며, 이러한 영역은 현재의 힉스 결합 측정으로는 거의 접근 불가능하다.
• 유형 II 2HDM에서 500 GeV의 A 보손에 대해 3000 fb⁻¹의 데이터로 33 TeV에서 5σ의 발견이 가능하며, tanβ 대 cos(β−α) 평면의 상당 부분을 커버할 수 있다.
• A→Zh 붕괴에서 bb 및 ττ 최종 상태의 조합은 감도를 향상시켜, 정밀한 힉스 결합 측정으로는 제약를 받지 않는 매개변수 공간을 배제할 수 있도록 한다.
• 직접 탐색은 정렬 한계에서 붕괴 비율과 결합 상수가 SM 유사가 되는 영역에서 정밀한 힉스 결합 측정과 강력한 보완성을 보인다.
• 피루프에 대한 결과는 견고하며, <NPU> = 140에서도 감도에 심각한 악화 없이 유지되어 고루미노스티티 시나리오에서 빠른 시뮬레이션의 사용이 타당함을 검증한다.
• 3000 fb⁻¹ 및 33 TeV 조건에서, 유형 I 및 II 2HDM 모두에서 |cos(β−α)| ≲ 0.01 이며 tanβ ≲ 1 인 조건에서 A 보손의 배제 범위가 질량 300 GeV까지 연장된다.