[論文レビュー] Search for Charged Higgs bosons via decays to $W^\pm$ and a 125 GeV Higgs at the Large Hadron Collider

Rikard Enberg, William Klemm+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける √s = 14 TeV の陽子-陽子衝突を用い、125 GeV のヒッグス粒子（Hobs）とWボソンに崩壊する電荷を帯びたヒッグス粒子（H±）の発見可能性を調査する。運動量再構成とトップクォークバイト技術を用いた崩壊チェーン pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν の解析により、H± → W±Hobs チャネルが2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）、特にA2HDMにおいて、300 fb⁻¹の統計的データ量で発見可能性を示し、3000 fb⁻¹では感度が向上することが示された。これは、CMSが測定したヒッグス粒子の信号強度制約が厳しい条件下でも成立する。

ABSTRACT

The recent observation of a 125 GeV neutral Higgs boson ($H_{ m obs}$) provides additional input for charged Higgs boson searches in the $H^\pm o W^\pm H_{ m obs}$ decay channel at the Large Hadron Collider (LHC). We reassess the discovery potential in this channel, which is important for $H^\pm$ heavier than the top quark mass. When $H_{ m obs}$ decays to a $b\bar{b}$ pair, knowledge of the Higgs mass aids in the kinematic selection of signal events. We perform a signal-to-background analysis to demonstrate the LHC prospects for charged Higgs discovery in the resulting channel $pp o t(\bar{b})H^- o \ell^\pmν_\ell jj bb\bar{b}(\bar{b})$+h.c. for standard (300 fb$^{-1}$) and high (3000 fb$^{-1}$) luminosities at design energy, $\sqrt{s}=14 { m TeV}$. We find that regions of the parameter space of several two-Higgs doublet models, consistent with constraints from LHC Higgs searches and $b$-physics observables, are testable in this channel.

研究の動機と目的

• LHCにおける H± → W±Hobs 崩壊チャンネルにおける電荷を帯びたヒッグス粒子の発見可能性を評価すること。
• 現在の実験的制約下で、タイプI、タイプII、A2HDMを含む2ヒッグスダブルレットモデル（2HDMs）に対するこのチャンネルの感度を評価すること。
• 125 GeV の既知の質量を持つ Hobs → b¯b 崩壊モードが、信号の選別とバックグラウンド抑制にどのように寄与するかを検討すること。
• CMSのヒッグス信号強度測定（µγγ, µZZ）およびb物理学の観測量を考慮した場合、異なる2HDMシナリオにおける信号強度を比較すること。
• 標準的および高統計的LHC運転における発見感度の統計的境界（2σ, 3σ, 5σ）を確立すること。

提案手法

• Pythia 6.4.28 と MATCHIG を用いて、信号過程 pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν をシミュレーションし、重複カウントを回避する。
• MadGraph を用いてバックグラウンド過程（t¯tb, t¯tW など）を生成し、Pythia 8 を用いて部分子シャワリングとハドロン化を適用する。
• ATLASに類似たパrametersを用いて、DELPHES 3 を用いてイベントを処理し、検出器シミュレーションを実施。bタグ効率を修正（|η| ≤1.2 で εη = 0.7、1.2 ≤|η| ≤2.5 で εη = 0.6）。
• 複数段階の再構成と選別手順を実装：レプトンおよび運動量未検出エネルギーの要件、ハドロン的およびレプトン的Wボソンの再構成、トップクォークバイト（「バイトを最初に実行」および「バイトを後に実行」の両戦略）。Hobsはbジェット対からの再構成を実施。
• 質量制約を適用：ハドロン的Wでは |mjj − mW| ≤30 GeV、レプトン的Wでは |mℓν − mW| = 0、Hobsでは |mbb − 125| ≤15 GeV、トップクォークでは |mWb − mt| ≤30 GeV。
• 判別変数として再構成された mWHobs を用い、2σ, 3σ, 5σの閾値における統計的有意度を S/√B を用いて計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hobsが125 GeVであることが既知である場合、H± → W±Hobs 崩壊チャンネルはLHCにおける電荷を帯びたヒッグス粒子の有効な発見チャンネルとなるか？
• RQ2 既知の質量を持つ Hobs → b¯b 崩壊を組み込むことで、このチャンネルにおける信号対バックグラウンド分離がどのように向上するか？
• RQ3 現在の実験的制約下で、さまざまな2HDMシナリオ（タイプI, II, A2HDM）における H± → W±Hobs チャネルの発見範囲はどの程度か？
• RQ4 CMSのヒッグス信号強度測定（µγγ, µZZ）およびb物理学の観測量が、H± → W±Hobs チャネルのテスト可能なパラメータ空間に与える影響は何か？
• RQ5 異なる2HDMモデルにおいて、このチャンネルでの5σ発見感度を達成するために必要な統計的データ量（300 fb⁻¹ 対 3000 fb⁻¹）はどの程度か？

主な発見

• H± → W±Hobs チャネルは、2HDMs、特にA2HDMにおいて電荷を帯びたヒッグス粒子の発見可能性を示しており、300 fb⁻¹ の統計的データ量でも観測可能な信号強度を示す。
• A2HDMでは、mH± が200–500 GeV で、tanβ ∈ [1.5,6] のパラメータ領域の大部分が300 fb⁻¹ でテスト可能であり、3000 fb⁻¹ ではさらに広範な領域にわたって感度が向上する。
• Z2対称性を持つ2HDM（タイプIおよびII）では、CMSの制約（µγγ = 1.13±0.24, µZZ = 1.0±0.29）の下で信号強度が低下するが、3000 fb⁻¹ では非可視領域が残存する。
• トップクォークバイト戦略（Hobs再構成の前後両方で適用）により、t¯tb および t¯tW バックグラウンドが効果的に抑制され、信号の有意度が向上する。
• A2HDMの有利なパラメータポイントでは、σ(pp → tH±) × BR(H± → W±Hobs) × BR(Hobs → b¯b) が最大で100 fbに達し、3000 fb⁻¹ では5σの感度を超える。
• b物理学の制約（BR(¯B→Xsγ), BR(Bu→τν), BR(Bs→μ+μ−), ∆MBd）が厳しい条件下でも、A2HDMのいくつかのポイントが300 fb⁻¹ でアクセス可能であり、このチャンネルの頑健性が示された。