[논문 리뷰] Higgs Search Constraints on Fourth Generation Scenarios with General Lepton Sectors

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 일반적인 렙톤 섹터를 가진 4번째 세대 시나리오에서 힉스 보존에 대한 일반적인 배제 경계를 수립하며, 증가된 생성과 무거운 쿼크로의 지배적 붕괴로 인해 현재의 LHC 탐색으로 인해 155–600 GeV 사이의 힉스 질량이 배제됨을 보여준다. 그러나 4번째 세대 중성자가 가벼운 경우(히iggs 질량의 반보다 작고), 디르악과 메조라나 상태 사이에서 강하게 혼합된다면, 힉스는 주로 이러한 중성자로 붕괴되어 탐지되지 않으며, 155 GeV 이하의 타당한 매개변수 공간을 남긴다.

ABSTRACT

I present a general exclusion bound for the Higgs in fourth generation scenarios with a general lepton sector. Recent Higgs searches in fourth generation scenarios rule out the entire Higgs mass region between 120 and 600 GeV. That such a large range of Higgs masses are excluded is due to the presence of extra heavy flavors of quarks, which substantially increase Higgs production from gluon fusion over the Standard Model rate. However, if heavy fourth generation neutrinos are less than half of the Higgs mass, they can dominate the Higgs decay branching fraction, overtaking the standard Higgs to WW* decay rate. The Higgs mass exclusion in a fourth generation scenario is shown most generally to be 155-600 GeV, and is highly dependent on the fourth generation neutrino mixing parameter.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 렙톤 섹터를 가진 4번째 세대 모델에서 힉스 배제 경계를 재평가하며, 특히 중성자 혼합과 질량 매개변수에 중점을 둔다.
• 4번째 세대 모델에서 힉스 생성 단면적 증가율이 매우 높을 경우, 힉스가 주로 가벼운 4번째 세대 중성자로 붕괴한다면 이를 피할 수 있는지 확인한다.
• 엄격한 LHC 힉스 탐색 제약 조건에도 불구하고 여전히 타당한 매개변수 공간을 찾기 위해 4번째 세대 중성자 질량과 혼합 평면에서의 영역을 규명한다.
• 특히 중성자 붕괴 채널이 지배적인 영역에서, 힉스 분해율이 WW*에 어떻게 의존하는지 수량화한다.

제안 방법

• 디르악과 메조라나 질량 항을 포함한 일반적인 4번째 세대 중성자 질량 행렬을 구성하여, 두 개의 메조라나 질량 고유상태를 도출한다.
• 혼합 각도에 따라 이러한 중성자 질량 고유상태로의 힉스 결합을 유도하며, 디르악과 메조라나 질량 성분의 비율에 따른 의존성을 보여준다.
• 4번째 세대 모델에서 WW*로의 힉스 붕괴 너비를 계산하고 표준 모형과 비교하며, 중성자 질량과 혼합 비율에 따라 붕괴 너비 비율을 사용한다.
• CMS 및 ATLAS 힉스 탐색 배제 한계(특히 h→WW* 최종 상태에 대해)를 적용하여 매개변수 공간을 제약하며, 타당한 영역을 결정하기 위해 붕괴 너비 비율을 사용한다.
• N1–N2 중성자 질량 평면에서 등고선 맵핑을 수행하여, 다양한 힉스 질량에서 허용 가능한 영역을 시각화하며, 혼합 각도와 운동역학적 임계값의 역할을 강조한다.
• 안정된 및 불안정한 중성자 시나리오를 모두 고려하여, 힉스 붕괴 위상도(투명 또는 딱딱한 렙톤 최종 상태)와 탐색 민감도에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4번째 세대 모델에서 힉스 보존이 주로 가벼운 4번째 세대 중성자로 붕괴할 경우, 현재의 LHC 배제 경계를 얼마나 회피할 수 있는가?
• RQ2 4번째 세대 중성자의 디르악과 메조라나 성분 간의 혼합 각도는 힉스 분해율이 WW*에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 히iggs가 WW*가 아닌 가벼운 중성자로 붕괴할 경우, 4번째 세대 시나리오에서 여전히 타당한 최대 힉스 질량은 얼마인가?
• RQ4 4번째 세대 쿼크로 인한 힉스 생성 단면적 증가율이, 중성자 분해율로 인해 WW* 붕괴 채널이 억제될 경우 상호작용은 어떻게 되는가?
• RQ5 히iggs가 쌍의 가벼운 불안정한 4번째 세대 중성자로 붕괴하고, 그 후 W 보손과 렙톤으로 붕괴할 경우, 힉스 탐색에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준 힉스 붕괴를 가진 4번째 세대 시나리오에서, 증가된 글루온 융합 생성과 지배적인 WW* 붕괴 비율로 인해 155–600 GeV 사이의 힉스 질량 영역이 배제된다.
• 히iggs 질량이 155 GeV 이하일 경우, 가장 가벼운 4번째 세대 중성자가 힉스 질량의 반보다 작고, 디르악과 메조라나 상태 사이에서 강하게 혼합된다면, 4번째 세대 매개변수 공간의 상당 부분이 여전히 타당하다.
• 중성자가 거의 순수한 디르악 상태일 때(혼합 각도가 π/4 근처일 때) 힉스 결합이 최대가 되며, 중성자가 점점 더 메조라나 성향을 띠게 되면(혼합 각도가 π/2 근처일 때) 감소한다.
• 히iggs가 가벼운 중성자로 붕괴할 경우, 특히 중성자가 불안정하고 W 보손 및 렙톤으로 붕괴할 경우, WW*로의 분해율이 크게 감소하여 최종 상태 위상도가 변화한다.
• ~300 GeV 이상의 힉스 질량에서는 단순히 위상공간의 지배적 영향으로 인해 WW*로의 분해율이 어떤 중성자 매개변수 조건이든 지배적이며, 이는 600 GeV까지의 배제를 강화한다.
• 4번째 세대 중성자가 잘 혼합되어 있을 때(중간 혼합 각도), 허용 가능한 매개변수 공간이 가장 넓으며, 중성자가 순수한 메조라나 상태가 되거나 또는 운동역학적으로 접근 불가능할 정도로 무거워지면 급격히 줄어든다.