[論文レビュー] LHC Evidence Of A 126 GeV Higgs Boson From $H o γγ$ With Three And Four Generations

Gang Guo, Bo Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された126 GeVのヒッグスボソン信号が、三世代の標準模型（SM3）か四世代拡張（SM4）によるものかどうかを調査する。SM4では、重い第四世代フェルミオンによるキャンセレーションのためH→γγの崩壊幅が抑制されるが、グルーオン融合生成率が約9倍に増加するため、γγ信号強度はSM3と同等になる。主な結果として、現在のLHC統計ではH→γγのみではSM3とSM4を区別できない。明確な区別には、より多くのデータと、H→ZZ*→4lのような他の崩壊モードの追加が必要である。

ABSTRACT

Searches for Higgs boson at the LHC have excluded standard model (SM) Higgs boson mass in the range between 127 GeV to 600 GeV. With a fourth generation, the excluded range is wider. To close the windows between 114 GeV to 127 GeV, the mode $H o γγ$ plays an important role. There are evidences that the Higgs boson mass is about 126 GeV from LHC data. $H o γγ$ can occur at one loop level in the SM. In the SM with three generations (SM3), the dominant contribution is from W boson with some cancellation from top quark in the loop. With SM4, the large mass of the fourth generation quarks and charged lepton cancel the W boson contribution significantly, the decay width is suppressed by a factorin the range of 0.25 $\sim$ 0.55 for the fourth generation mass in the range of 500 to 1000 GeV. This reduction factor makes $σ(pp o H X)Br(H o γγ)$ for SM4 comparable to that for SM3 for Higgs boson mass in the window allowed mentioned earlier. Using $H o γγ$ alone, therefore, it is difficult at present to distinguish whether the Higgs boson is from SM3 or SM4. We also comments on some other detection channels.

研究の動機と目的

• LHCで観測された126 GeVのヒッグスボソン信号が、三世代の標準模型（SM3）か四世代拡張（SM4）によって説明可能かどうかを評価すること。
• 第四世代フェルミオン（t′, b′, l′）が、SM4におけるH→γγの崩壊幅と生成断面積に与える影響を、SM3と比較して評価すること。
• 現在のLHCデータ統計のもとで、H→γγチャンネルのみでSM3とSM4を区別できるかどうかを特定すること。
• H→ZZ*→4lのような他の崩壊モードが、SM3とSM4の区別に果たす可能性を検討すること。

提案手法

• Wボソンと電荷を帯びたフェルミオンのループに寄与する1ループ有効理論を用いて、SM3およびSM4における部分崩壊幅Γ(H→γγ)を計算する。
• スピン1/2およびスピン1粒子のそれぞれに対して、関数A1/2(τ)およびA1(τ)を用いた1ループ振幅形式を適用し、QCD補正は係数CH(τQ)を介して含める。
• 第四世代フェルミオンの質量が500–1000 GeVの範囲にある場合、Wと重いフェルミオンの寄与の破壊的干渉により、SM4におけるΓ(H→γγ)の抑制係数は0.25から0.55の間になる。
• SM4におけるグルーオン融合生成断面積σ(pp→H)を計算し、重いトップクォークループ寄与の増加により、SM3に比べて約9倍に増加していることを示す。
• 生成率と分岐比の効果を組み合わせ、ヒッグスおよび第四世代フェルミオンの質量の関数として、γγ信号強度比σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)を計算する。
• H→ZZ*→4lチャンネルを分析し、分岐比に変化がないにもかかわらず、生成率の増加によりSM4ではSM3に比べて信号強度が5倍に増加していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCで観測された126 GeVのヒッグスボソン信号は、三世代の標準模型（SM3）か四世代拡張（SM4）によって説明可能か？
• RQ2 第四世代フェルミオンの導入が、ループ誘導ヒッグス崩壊の文脈におけるH→γγ崩壊幅に与える影響は何か？
• RQ3 SM4における増加したグルーオン融合生成率が、抑制されたH→γγ崩壊幅をどの程度補うか。その結果、SM3とSM4におけるγγ信号強度が同等になるか？
• RQ4 現在のLHCデータ統計のもとで、H→γγチャンネルのみでSM3とSM4を区別できるか？
• RQ5 SM4におけるH→ZZ*→4lの相対的信号強度はSM3に比べてどの程度か。このチャンネルはSM3とSM4の区別を向上させ得るか？

主な発見

• 第四世代フェルミオンの質量が500–1000 GeVの範囲にある場合、SM4における部分崩壊幅Γ(H→γγ)は、SM3に比べて0.25から0.55の間で抑制される。これは、Wと重いフェルミオンループの破壊的干渉によるものである。
• SM4におけるグルーオン融合生成断面積σ(pp→H)は、重いクォークループ寄与の増加により、SM3に比べて約9倍に増加する。
• ヒッグス質量が126 GeV前後の場合、γγ信号強度比σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)は1.5から2.5の間にある。これは、両モデルにおいて同等の検出可能性を示している。
• SM4における全崩壊幅Γ(total)は、SM3に比べて約1.5から1.6倍に増加しており、これはH→ggおよびH→bb̄の増加によるもので、H→γγの分岐比を低下させている。
• SM4におけるH→ZZ*→4lの信号強度は、SM3に比べて約5倍に増加している。これは同じ生成率の増加によるものであり、このチャンネルはH→γγよりもSM4に敏感である。
• 現在のLHCデータ統計では、H→γγチャンネルのみではSM3とSM4を明確に区別できない。明確な同定には、さらなるデータが必要である。