[논문 리뷰] Ruling out a 4th generation using limits on hadron collider Higgs signals

John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 테바트론과 LHC에서 두광자 및 WW/ZZ 붕괴 채널에서 향상된 힉스 신호가 관측되지 않음에 따라, 표준모형 유사한 힉스 보손이 200 GeV 이하의 질량을 가질 경우 네 번째 쿼크 세대가 존재하지 않음을 규명한다. 분석 결과, 관측된 신호율 한계—특히 네 번째 쿼크 세대 모델에서 $ R_{WW} \geq 6.5 $—는 실험 데이터와 모순되며, 이러한 시나리오는 현재의 충돌기 제약 조건과 일치하지 않는다.

ABSTRACT

We consider the impact of a 4th generation on Higgs to $γγ$ and $WW,ZZ$ signals and demonstrate that the Tevatron and LHC have essentially eliminated the possibility of a 4th generation if the Higgs is SM-like and has mass below 200 GeV. We also show that the absence of enhanced Higgs signals in current data sets in the $γγ$ and $WW,ZZ$ final states can strongly constrain the possibility of a 4th generation in two-Higgs-doublet models of type II, including the MSSM.

연구 동기 및 목표

• 표준모형과 이중 힉스 두중력 모형(2HDM), 특히 MSSM의 맥락에서 네 번째 쿼크 세대의 실현 가능성 평가.
• 현재 LHC와 테바트론에서의 힉스 붕괴율 데이터—특히 $\gamma\gamma$ 및 $WW/ZZ$ 채널에 기반해, 네 번째 쿼크 세대 존재 여부에 대한 제약 조건 평가.
• 이러한 붕괴 채널에서의 신호 강도 향상 부재가 네 번째 쿼크 세대 또는 순차적 $W^\prime$ 보손 존재를 배제하는가에 대한 판단.
• 확장된 힉스 보행자 구조를 포함한 새로운 물리 현상에 대해 $R_{\gamma\gamma}$와 $R_{WW}$가 얼마나 강건한 탐지 도구인지 검토.
• 관측된 $L \sim 131~\text{pb}^{-1}$ 데이터 기반의 신호율 한계를 바탕으로 네 번째 쿼크 세대의 매개변수 공간에 대한 정량적 제약 제시.

제안 방법

• 관측된 값과 표준모형 예측값을 비교하기 위해 신호율 비율 $ R_X^h = [\Gamma_{gg}^h \cdot BR(h \to X)] / [\Gamma_{gg}^{h_{\text{SM}}} \cdot BR(h_{\text{SM}} \to X)] $ 정의.
• 효과적 장 이론과 고리 계산을 활용해 네 번째 쿼크 세대와 $W^\prime$ 보손 기여를 포함한 힉스 결합 및 붕괴율 계산.
• MSSM에 네 번째 쿼크 세대를 포함한 확장된 부드러운 대칭 파괴 파rameter를 적용한 HDECAY 3.60 패키지 사용해 힉스 질량과 분해비율 계산.
• 중간자질량이 매우 높은 스퍼파트클을 가정할 때, 네 번째 쿼크 세대 및 스퍼파트클이 $\Gamma_{gg}^{h,A}$, $BR(h,A \to \gamma\gamma)$, $BR(h \to WW)$에 미치는 영향 분석.
• ATLAS와 CDF/D0의 95% 신뢰수준 실험 한계와 이론적 예측값인 $R_{\gamma\gamma}^{h,A}$ 및 $R_{WW}^{h}$ 비교.
• 나이만-보존 효과 및 SUSY 기여에 대해 $R_{\gamma\gamma}^{A}$와 $R_{WW}^{h}$의 강건성 평가. 단, $W^\prime$ 보손은 나무 수준에서 $A$와 결합하지 않음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두광자 및 WW/ZZ 채널에서 힉스 신호 강도 향상 부재가 네 번째 쿼크 세대 존재를 배제할 수 있는가?
• RQ2 네 번째 쿼크 세대 존재 시, 표준모형 유사 힉스의 예측된 $R_{\gamma\gamma}$와 $R_{WW}$는 어떻게 되는가?
• RQ3 현재의 $R_{\gamma\gamma}$ 및 $R_{WW}$ 실험 한계는 MSSM에서 네 번째 쿼크 세대 존재와 비표준 $\tan\beta$ 값에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 $W^\prime$ 또는 SUSY 효과와 무관하게, MSSM에서 $R_{\gamma\gamma}^{A}$와 $R_{WW}^{h}$가 네 번째 쿼크 세대에 대해 얼마나 강건한 탐지 도구가 되는가?
• RQ5 향후 높은 루미너스를 가진 LHC 데이터 기반으로 $R_{\gamma\gamma}$와 $R_{WW}$ 측정을 통해 네 번째 쿼크 세대 시나리오를 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 표준모형 유사 힉스 보손이 200 GeV 이하일 경우, 네 번째 쿼크 세대 모델에서 예측된 $R_{WW} \geq 6.5$는 테바트론의 95% 신뢰수준 상한값인 $R_{WW} \leq 0.64$ ($m_h \in [110,200]$ GeV 범위)과 모순되며, 이는 네 번째 쿼크 세대 존재를 배제한다.
• 전체 힉스 붕괴 폭이 크기 때문에 두광자 채널은 다소 모호하지만, 네 번째 쿼크 세대 모델에서 $m_h \leq 130$ GeV일 경우 $R_{\gamma\gamma} \sim 4$로 예측되며, 이는 현재의 실험 데이터와 일치하지 않는다.
• MSSM에서 $m_A < 2m_W$일 경우 $R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 6.5$, $m_A > 2m_W$일 경우 $R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 100$로 예측되며, $m_A \lesssim 150$ GeV일 경우 현재 데이터로 이미 배제된 바 있다.
• 모델에서 $m_A \geq 200$ GeV일 경우, MSSM에 네 번째 쿼크 세대가 존재할 경우 $R_{WW}^{h} \geq 2.4$로 예측되며, 충분한 루미너스를 가진 LHC에서 향후 검증 가능할 것이다.
• $W^\prime$ 보손은 $R_{\gamma\gamma}^{A}$에 거의 영향을 주지 않으며, $R_{WW}^{h}$에도 작은 영향만 미치므로, 이 관측량은 네 번째 쿼크 세대에 대한 강건한 탐지 도구가 된다.
• 만약 힉스 보손이 관측되지 않더라도, $R_{\gamma\gamma}^{A}$와 $R_{WW}^{h}$는 직접적인 신입 입자 탐지 없이도 MSSM에서 네 번째 쿼크 세대 존재를 배제하는 강력한 도구로 남아 있다.