[论文解读] Unique Higgs boson signature at colliders

Peng‐Fei Yin, Shou-hua Zhu|ArXiv.org|Nov 21, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出一种对撞机中独特的希格斯玻色子衰变信号：标准模型（SM）类希格斯玻色子衰变为两个窄宽度的CP奇标量（a），每个a再衰变为一对μ子（h → aa → 4μ），其依据是HyperCP实验中三例二μ子事例所推断出的假设性214.3 MeV粒子。由于a与2mμ之间极小的质量差，导致每个a衰变产生的μ子几乎共线，从而形成此前被忽视的特征性4μ末态。研究表明，即使在过往数据中因忽略此类动量特征而未被发现，该信号仍可在LHC与Tevatron以低亮度条件下被探测到。

ABSTRACT

The HyperCP collaboration has observed three events for the decay $Σ^+ o p μ^+ μ^-$. The three events may be interpreted as a new narrow-width CP-odd scalar $a$ with the mass $214.3 \pm 0.5$ MeV. Here $a$ decays dominantly into di-muon ($μ^+μ^-$). As the consequence of tiny mass difference between $m_a$ and 2$m_μ$ ($2 m_μ \approx$ 211.3 MeV), di-muon will be boosted to almost the same direction at colliders. Such kind of di-muon events have been overlooked in the past experiments. Provided that the precision data preferred light SM-like Higgs boson $h$ decays dominantly into $a a$ other than into $b\bar b$, in order to be consistent with null Higgs boson search at LEP, the $h o aa o 4μ$ ($2μ^+ 2μ^-$) will be the unique Higgs boson signature which has not been noticed before. The SM-like Higgs boson may hide itself from the usual analysis of LEP and Tevatron experiments, which should be reanalyzed in the light of new theoretical and experimental developments. In this paper, we also investigate this unique Higgs boson signature at colliders and conclude that the SM-like Higgs boson could be discovered with rather low integrated luminosity, provided that the $h o 4μ$ reconstruction efficiency is not extremely low. It is not impossible that such kind of unique Higgs boson $4μ$ events are now lurking in the existing LEP and/or Tevatron data.

研究动机与目标

• 研究由HyperCP实验三例二μ子事例推断出的假设性214.3 MeV窄宽度CP奇标量（a）的唯象学影响。
• 探讨此类轻量a玻色子如何在对撞机中产生独特的希格斯玻色子衰变信号h → aa → 4μ。
• 评估该4μ信号在LHC、Tevatron及ILC上的可探测性，尽管其在过往分析中被忽略。
• 评估此类事件是否可能已存在于LEP与Tevatron现有数据中，因动量构型独特而未被识别。
• 倡导对过往对撞机数据重新分析，尤其关注SM类希格斯玻色子主要衰变为aa的轻量情形。

提出的方法

• 采用NMSSM框架，引入一个规范 singlet 超多重态来描述质量约为214.3 MeV的轻CP奇标量玻色子a。
• 利用NMHDECAY程序在参数空间中进行扫描，寻找BR(h → aa)较大且m_a ≈ 214.3 MeV的基准点。
• 分析a → μ⁺μ⁻衰变的动量构型，表明极小的质量差（m_a - 2m_μ ≈ 3 MeV）导致μ子对高度共线。
• 使用‘基本截断条件’和不变质量重建方法，对LHC与Tevatron的h → 4μ信号与背景事例进行模拟。
• 通过排除接近m_Z的二μ子质量区域来抑制Z → μ⁺μ⁻背景，利用M_μ⁺μ⁻分布中独特的峰结构。
• 通过4μ不变质量重建评估LHC、Tevatron与ILC上的信号发现潜力，假设合理的重建效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 HyperCP实验中三例二μ子事例是否可由质量约为214.3 MeV的窄宽度CP奇标量a解释？
• RQ2 SM类希格斯玻色子主要衰变为两个此类轻量a玻色子（h → aa → 4μ）时，其对撞机信号特征为何？
• RQ3 为何具有近乎共线μ子对的此类4μ事例在过往LEP与Tevatron分析中被忽略？
• RQ4 SM类希格斯玻色子是否可在LHC与Tevatron以低积分亮度通过h → 4μ通道被发现？
• RQ5 此类4μ事例是否可能已存在于现有LEP与Tevatron数据集中，因独特的动量构型而未被探测到？

主要发现

• SM类希格斯玻色子h → aa → 4μ提供了此前未被研究的独特末态信号，源于每个a衰变产生的近乎共线μ子对。
• 由于m_a ≈ 2m_μ，a → μ⁺μ⁻衰变产生的近乎共线μ⁺μ⁻对在二μ子不变质量分布中于m_h/2附近形成显著峰结构。
• Z → μ⁺μ⁻背景通过排除接近m_Z的二μ子质量区域被有效抑制，且SM过程产生的4μ背景极低。
• 在Tevatron中，1 fb⁻¹亮度与10%的4μ重建效率下，对于m_h = 120 GeV，预计可产生约25个信号事例。
• 在LHC中，相同亮度与效率下，对于m_h = 120 GeV，预计可产生约1500个信号事例，表明发现极具可行性。
• 在ILC中，√s = 208 GeV，500 pb⁻¹亮度下，对于m_h = 60–115 GeV，预计可产生约3–13个信号事例，表明以适度数据量即可实现发现。