[论文解读] Search for doubly charged Higgs bosons through VBF at the LHC, and beyond

G. Bambhaniya, Joydeep Chakrabortty+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）及未来对撞机中，基于最小左右对称模型（MLRSM）的矢量玻色子融合（VBF）过程产生的双电荷希格斯玻色子的产生与探测。尽管受到FCNC和真空稳定性约束，该模型仍允许双电荷希格斯玻色子质量低于1 TeV，但高亮度LHC（14 TeV，3000 fb⁻¹）缺乏探测灵敏度；未来FCC-hh（100 TeV）在3000 fb⁻¹条件下可探测高达1 TeV的质量，显著性≥7。

ABSTRACT

Production and decays of doubly charged Higgs bosons at the LHC and future hadron colliders triggered by vector boson fusion mechanism are discussed in the context of the Minimal Left-Right Symmetric Model. Our analysis is based on the Higgs boson mass spectrum compatible with available constraints which include FCNC effects and vacuum stability of the scalar potential. Though the parity breaking scale $v_R$ is large ($\sim$ few TeV) and scalar masses which contribute to FCNC effects are even larger, consistent Higgs boson mass spectrum still allows us to keep doubly charged scalar masses below 1 TeV which is an interesting situation for LHC and future FCC colliders. We have shown that allowed Higgs bosons mass spectrum constrains the splittings ($M_{H_{1}^{\pm \pm}}-M_{H_{1}^\pm}$), closing the possibility of $H_{1}^{\pm\pm} o W_{1}^\pm H_{1}^\pm$ decays. Assuming that doubly charged Higgs bosons decay predominantly into a pair of same sign charged leptons through the process $p p ightarrow H_{1/2}^{\pm \pm} H_{1/2}^{\mp \mp} j j ightarrow \ell^{\pm} \ell^{\pm} \ell^{\mp} \ell^{\mp} jj$, we find that for LHC operating at $\sqrt{s}=14$ TeV with an integrated luminosity at the level of $3000\,\mathrm{fb}^{-1}$ (HL-LHC) there is practically no chance to detect such particles at the reasonable significance level through this channel. However, 33 TeV HE-LHC and (or) 100 TeV FCC-hh open up a wide region for doubly charged Higgs boson mass spectrum to be explored. In FCC-hh, doubly charged Higgs bosons mass up to 1 TeV can be probed easily.

研究动机与目标

• 探索在最小左右对称模型（MLRSM）中通过矢量玻色子融合（VBF）探测双电荷希格斯玻色子的可行性。
• 评估严格约束条件——味改变中性流（FCNC）、真空稳定性以及LEP/ATLAS实验限制——对希格斯质量谱的影响。
• 评估LHC及未来FCC对撞机对VBF产生的双电荷希格斯玻色子衰变为同号 dilepton末态的探测灵敏度。
• 将MLRSM中的信号截面与二级 seesaw 模型中的结果进行比较，以评估其可区分性。

提出的方法

• 构建了满足FCNC、真空稳定性及LEP/ATLAS约束条件的一致希格斯质量谱。
• 使用FeynRules（v2.0.31）实现MLRSM拉格朗日量，并生成用于蒙特卡洛模拟的模型文件。
• 采用ALPGEN（v2.14）、MadGraph（v2.2.2）和PYTHIA（v6.421）进行信号与背景生成，并应用真实物理截断条件。
• 应用VBF特异性截断条件（如大快度分离、前向喷注的高不变质量）以分离出类似VBF的事件。
• 计算末态 $pp \to H^{\pm\pm}H^{\mp\mp}jj \to \ell^\pm\ell^\pm\ell^\mp\ell^\mp jj$ 的信号截面与标准模型背景。
• 在100 TeV下，对积分亮度高达3000 fb⁻¹的情况，使用 $S/\sqrt{B}$ 和 $S/\sqrt{S+B}$ 近似方法评估显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MLRSM是否能在满足FCNC与真空稳定性约束的前提下，容纳质量低于1 TeV的双电荷希格斯玻色子？
• RQ2 双电荷希格斯玻色子 $H^{\pm\pm}$ 衰变为同号轻子的分支比是多少？$H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$ 衰变通道如何影响该分支比？
• RQ3 在高亮度LHC（14 TeV，3000 fb⁻¹）下，VBF产生的 $H^{\pm\pm}$ 在同号 dilepton 末态中的可探测性如何？
• RQ4 在VBF通道中，实现 $H^{\pm\pm}$ 探测的5σ显著性所需的对撞机能量与亮度是多少？
• RQ5 对于相同的 $H^{\pm\pm}$ 质量，MLRSM中的信号截面与二级 seesaw 模型中的结果相比如何？

主要发现

• 即使在 $v_R \sim \text{few TeV}$ 条件下，MLRSM仍允许双电荷希格斯玻色子质量低于1 TeV，且与FCNC和真空稳定性约束一致。
• 质量分裂 $M_{H^{\pm\pm}} - M_{H^{\pm}} < M_{W_1}$ 抑制了 $H^{\pm\pm} \to H^{\pm}W^{\pm}$ 衰变，使同号 dilepton 衰变成为主导通道。
• 在高亮度LHC（$\sqrt{s} = 14$ TeV，$\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹）下，对于质量高达500 GeV的 $H^{\pm\pm}$，预计无显著信号。
• 在33 TeV下，700 fb⁻¹亮度时，$M_{H^{\pm\pm}} = 500$ GeV的信号可达到5σ显著性；在100 TeV下，100 fb⁻¹亮度时，相同显著性亦可实现。
• 对于 $M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeV，仅在100 TeV FCC-hh对撞机中，且亮度 $\geq 1000$ fb⁻¹时，才可能实现5σ显著性。
• 在100 TeV FCC-hh对撞机中，3000 fb⁻¹亮度下，$M_{H^{\pm\pm}} = 1$ TeV的显著性可达7，从而可全面探索1 TeV质量范围。