[论文解读] Searching for Signs of the Second Higgs Doublet

Nathaniel Craig, Jamison Galloway+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 119

一句话总结

本文提出了一种在两种希格斯双重态模型（2HDMs）中搜索第二重希格斯双重态的策略，通过将已发现的类标准模型（SM）希格斯粒子的耦合映射到额外标量的潜在信号。当轻希格斯粒子的耦合在标准模型预测值的几个百分点以内时，$H\to hh$ 和 $A\to Zh$ 被识别为关键发现通道；而当轻希格斯粒子的耦合极为接近标准模型时，$\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$衰变则成为探测此类情形的关键手段。

ABSTRACT

The search for evidence of extended electroweak symmetry breaking has entered a new phase with the discovery of a Standard Model (SM)-like Higgs at the LHC. The measurement of Higgs couplings and direct searches for additional scalars provide complementary avenues for the discovery of new degrees of freedom. This complementarity is particularly sharp in two Higgs doublet models (2HDMs) where the couplings of the SM-like Higgs may be directly related to the LHC signals of additional scalars. In this work we develop a strategy for searching for the second Higgs doublet given the LHC signals of the recently discovered SM-like Higgs. We focus on a motivated parameter space of flavor- and CP-conserving 2HDMs in which the couplings of all scalars to SM states are controlled by two parameters. We construct fits in this parameter space to the signals of the SM-like Higgs and translate these fits into signal expectations for future measurements of both the SM-like Higgs and additional scalars, identifying the most promising search channels for discovery or exclusion of new physics. When kinematically accessible, decays of the heavy neutral scalar Higgs to two light Higgs scalars, $H o hh$, and decays of the pseudoscalar Higgs to a light Higgs scalar and $Z$ boson, $A o Zh$, provide promising avenues for discovery even when the couplings of the light Higgs are within a few percent of SM predictions. When the couplings of the light Higgs are exceptionally close to those of the SM, decays of heavier neutral scalars to $γγ$ and $τ^+ τ^-$ become particularly important for discovery.

研究动机与目标

• 将类标准模型希格斯粒子的耦合映射到味和CP守恒的2HDM中额外标量的耦合。
• 识别在2HDM参数空间中发现或排除新物理的最敏感搜索通道。
• 利用大型强子对撞机（LHC）关于类标准模型希格斯粒子的数据，预测较重希格斯态的信号，特别是在轻希格斯粒子耦合接近标准模型时。
• 评估未来LHC测量中 $H\to hh$、$A\to Zh$ 以及 $\gamma\gamma$/$\tau^+\tau^-$ 衰变的发现潜力。
• 为利用相关联的希格斯信号搜索标准模型之外的新物理，提供一个可预测的框架。

提出的方法

• 构建对LHC关于类标准模型希格斯粒子数据（ATLAS、CMS、CDF、DØ）的全局拟合，使用信号强度修正因子 $\hat{\mu}$ 和各类过程的产生效率 $\zeta^{(G,V,T)}$。
• 聚焦于一个物理动机充分的2HDM子空间，其中两个混合角控制所有耦合，避免树图级味改变中性流（FCNCs）和CP破坏。
• 将类标准模型希格斯粒子耦合的拟合结果转化为对额外标量（$H$、$A$、$H^{\pm}$）的产生和衰变率的预测。
• 通过关键通道中的信号强度预测来评估发现潜力：$H\to hh$、$A\to Zh$、$\gamma\gamma$、$\tau^+\tau^-$ 和 $b\bar{b}$。
• 利用7、8和14 TeV运行的实验数据约束2HDM参数空间，并预测未来发现能力。
• 应用统计方法，从LHC与费米实验室数据的联合结果中提取最佳拟合信号强度及其不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2HDM中，哪些额外希格斯标量的产生和衰变通道对探测第二重希格斯双重态最为敏感？
• RQ2 类标准模型希格斯粒子耦合的约束如何转化为对较重希格斯态的预测性信号？
• RQ3 当轻希格斯粒子耦合在标准模型预测值的几个百分点以内时，哪些是前景最广阔的发现通道？
• RQ4 当轻希格斯粒子耦合异常接近标准模型值时，发现潜力如何变化？
• RQ5 当其他通道被抑制时，$\gamma\gamma$ 和 $\tau^+\tau^-$ 等稀有衰变在探测2HDM参数空间中扮演何种角色？

主要发现

• 当轻希格斯粒子耦合在标准模型预测值的几个百分点以内时，$H\to hh$ 衰变通道可提供强有力的发现信号。
• 在相同条件下，$A\to Zh$ 衰变是一个极具前景的发现通道，因其具有包含一个Z玻色子和一个类标准模型希格斯粒子的清晰末态。
• 当轻希格斯粒子耦合极为接近标准模型值时，较重中性标量的 $\gamma\gamma$ 和 $\tau^+\tau^-$ 衰变成为最敏感的探测手段。
• 在（ec）构型下，$H\to hh$ 通道中 $\gamma\gamma$ 的信号强度预测达到 $\hat{\mu} \approx 10.39$，表明其具有极高的发现潜力。
• 采用高能喷注对探测的 $\gamma\gamma$ 通道中，信号强度为 $\hat{\mu} = 2.76^{+1.73}_{-1.35}$，表明其对重希格斯衰变具有敏感性。
• 采用缺失能量（$E_T^{\rm miss}$）的 $\gamma\gamma$ 通道中，信号强度为 $\hat{\mu} = 2.98^{+2.70}_{-2.15}$，凸显其在高缺失能量末态中发现新物理的潜力。