[論文レビュー] "Silver" mode for heavy Higgs search in the presence of a fourth SM family

S. Sultansoy, G. Ünel|ArXiv.org|Jul 22, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、第4標準模型家族が存在する状況下で、300–500 GeVの重いヒッグスボソンを発見するための競争力のあるチャンネルとして「シルバー」モード—h → ν₄ν̄₄ → μWμW → μjjμjj—を提案する。このモードは、分岐比の増加とクリアなミューオンのみの最終状態のおかげで、ゴールデンモード（ZZ → ℓℓℓℓ）に比べて信号収量が最大15倍に向上し、1 fb⁻¹の積分光度で重いヒッグスボソンと第4家族ニュートリノの同時発見が可能になる。

ABSTRACT

We investigate the possible enhancement to the discovery of the heavy Higgs boson through the possible fourth SM family heavy neutrino. Using the channel h-> v4 v4->mu W mu W-> mu j j mu j j, it is found that for certain ranges of Higgs boson and v4 masses LHC could discover both of them simultaneously with 1 fb^-1 integrated luminosity.

研究の動機と目的

• 第4標準模型家族が存在する状況下で、重いヒッグスボソンのための新しい発見チャンネルを探ること。
• 標準的「ゴールデン」モードの代替手段として、h → ν₄ν̄₄ → μWμW という崩壊チェーンの実現可能性を評価すること。
• 第4家族ニュートリノの崩壊による信号強度の増幅と、LHCにおける検出可能性への影響を定量化すること。
• 1 fb⁻¹の積分光度で、重いヒッグスボソンと第4家族ニュートリノの両方を同時に発見できる可能性を評価すること。

提案手法

• SMデータと整合する4×4レプトン的CKM行列パラメータ化を用いて、ヒッグスボソンの崩壊 h → ν₄ν̄₄ をモデル化する。
• ヒッグスボソンおよびν₄の質量関数としての h → ν₄ν̄₄ の分岐比を計算し、m_h=300 GeVのときm_ν₄ ≈ 100 GeV、m_h=500 GeVのときm_ν₄ ≈ 150 GeVで最大値を示すことを確認する。
• ν₄ → μW の崩壊分岐比を Br(ν₄ → μW) ≈ 0.68、ν₄ → τW の分岐比を Br ≈ 0.32 と推定し、最終状態が2つのミューオンと4つのジェットを含むことになる。
• 分岐比比と積分光度スケーリングを用いて、「シルバー」モード（μμjjjj）と「ゴールデン」モード（ℓℓℓℓ）の信号収量を比較する。
• 1つのWがレプトン的崩壊する関連チャンネルを含めると、信号収量が63%増加し、m_h=500 GeVでは強度増幅要因が24に、m_h=300 GeVでは18に上昇する。
• ν₄のメジャナ型を考慮し、同じ符号のミューオンを有する「プラチナム」モードを可能とし、標準模型背景を無視できるほど抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 h → ν₄ν̄₄ → μWμW 崩壊チェーンは、重いヒッグスボソン発見のためのゴールデンモードの有効な代替手段として機能するか？
• RQ2 m_h = 300 GeVおよび500 GeVのとき、シルバー・モードがゴールデン・モードに対してどの程度の信号強度増幅を示すか？
• RQ3 1 fb⁻¹の積分光度で、第4家族ニュートリノの存在がLHCにおけるヒッグスボソンの検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 m_h = 300 GeVおよび500 GeVのとき、1 fb⁻¹の積分光度におけるシルバー・モードで再構築可能なヒッグスボソンおよびν₄対の期待数は何か？
• RQ5 ν₄のメジャナ型が、よりクリアで背景抑制効果の高い「プラチナム」発見チャンネルを可能にするか？

主な発見

• m_h = 300 GeV、m_ν₄ = 100 GeV のとき、シルバー・モードの分岐比は1.22 × 10⁻²であり、ゴールデン・モードの1.12 × 10⁻³と比較して11倍の増幅を示す。
• m_h = 500 GeV、m_ν₄ = 150 GeV のとき、シルバー・モードの分岐比は1.88 × 10⁻²に達し、ゴールデン・モードに対して15倍の増幅を示す。
• 1つのレプトン的W崩壊を伴う関連チャンネルを含めると、合計の信号収量が63%増加し、m_h=500 GeVでは増幅要因が24に、m_h=300 GeVでは18に上昇する。
• 1 fb⁻¹の積分光度で、m_h = 300 GeV、m_ν₄ = 100 GeV の場合、約850個のヒッグスボソンと1,700対のν₄が再構築可能と予想される。
• メジャナ型のν₄は、同じ符号のミューオンを有する「プラチナム」モードを可能とし、信号は半分に減少するが、標準模型背景は無視できるほど抑制される。
• 第4家族クォークのおかげで、ヒッグス生成断面積が5–8倍に増加し、信号強度が上昇し、5σ発見に必要な積分光度が低減する。