[论文解读] Benchmark Suggestions for Resonant Double Higgs Production at the LHC for Extended Higgs Sectors

Sebastian Baum, Nausheen R. Shah|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 7

一句话总结

本文针对13 TeV LHC下2HDM+S与$Z_3$ NMSSM中的共振双希格斯玻色子产生，提出了优化于300 fb⁻¹数据的基准场景。在$Z$-禁戒与最大偏离对准情景下，识别出可行的信号——$A \to h_{125}a$、$H \to h_{125}h$与$H \to h_{125}h_{125}$，其中两个NMSSM基准点通过$h_{125}b\bar{b}b\bar{b}$末态展现出可探测的信号强度。

ABSTRACT

In this note we present benchmark scenarios for resonant double Higgs production at the $13\,$TeV LHC in the 2HDM+S model and the $Z_3$ Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), which may be accessible with 300 fb$^{-1}$ of data. The NMSSM Higgs sector can be mapped onto the 2HDM+S. We show benchmark points and relevant parameter planes in the 2HDM+S for three sets of signatures: ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$, ($A o a h, H o hh, H o aa)$, and ($H o h_{125}h_{125}$). The first two signatures are optimized in what we call $Z$-Phobic scenarios where $H/A$ decays into final states with $Z$ bosons are suppressed. The last signature, $h_{125}$ pair production, is directly proportional to the misalignment of $h_{125}$ with the interaction state sharing the couplings of a SM Higgs boson, and hence is presented in the Max Misalignment scenario. We also present two NMSSM benchmark points for the ($A o h_{125} a, ~H o h_{125} h)$ signatures. The benchmark scenarios presented here are based on Refs. [1,2].

研究动机与目标

• 识别在LHC扩展希格斯 sector 中共振双希格斯玻色子产生的可行基准场景。
• 在实际亮度条件下，优化特定信号——$A \to h_{125}a$、$H \to h_{125}h$与$H \to h_{125}h_{125}$——的探测前景。
• 将$Z_3$ NMSSM的希格斯 sector 映射到2HDM+S框架，实现统一的 phenomenological 分析。
• 利用300 fb⁻¹数据的投影信号强度，评估这些场景的可探测性。
• 探索$Z$-玻色子与$b$-夸克末态在共振双希格斯玻色子搜索中的互补性。

提出的方法

• 采用2HDM+S模型作为统一框架，包含两个$SU(2)$双态与一个复数 singlet 标量，具有类型-II Yukawa 结构，并固定$\tan\beta = 2.5$。
• 在由质量、混合角、真空期望值（$v$、$\tan\beta$、$v_S$）及希格斯基态的三线性耦合构成的参数空间中构建基准点。
• 分析三组不同的信号模式：抑制$Z$-介导衰变的$Z$-禁戒情景，以及最大化$h_{125}$-样耦合至SM样态的极大偏离对准情景。
• 通过$gg \to \Phi \to \text{末态}$投影信号强度，其中$\Phi$为$A$或$H$，末态包括$h_{125}a$、$h_{125}h$、$hh$、$aa$与$b\bar{b}b\bar{b}$。
• NMSSM基准点源自先前研究（Baum:2019uzg），其参数已映射至2HDM+S框架以保证一致性。
• 利用希格斯基态中的耦合计算分支比与宽度，通过调节$\kappa$与$\lambda$参数抑制$Z$-耦合模式，实现$Z$-禁戒。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2HDM+S与$Z_3$ NMSSM中，哪些基准场景在300 fb⁻¹ LHC数据下能产生可探测的共振双希格斯玻色子产生信号？
• RQ2 $Z$-禁戒与极大偏离对准情景如何影响双希格斯末态的可观测性？
• RQ3 在300 fb⁻¹数据下，NMSSM基准点中$A \to h_{125}a \to b\bar{b}b\bar{b}$的投影信号强度是多少？
• RQ4 $h_{125}$、$a$、$h$、$H$与$A$的分支比如何影响不同末态的可探测性？
• RQ5 $Z$-玻色子与$b$-夸克末态在共振双希格斯玻色子搜索中互补性的程度如何？

主要发现

• 基准点BP1具有$m_A = 750$ GeV、$m_a = 168$ GeV、$m_H = 750$ GeV、$m_h = 561$ GeV，$\mu = -466$ GeV且$\kappa = 0.347$，导致$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$。
• 基准点BP2的$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}}(gg\to A\to h_{125}a\to b\bar{b}b\bar{b}) = 0.442$，其中$m_a = 168$ GeV、$m_h = 561$ GeV、$m_A \approx m_H \approx 750$ GeV，且$\mu = -466$ GeV。
• 在BP2中，$H \to h_{125}h$的分支比${\rm BR}(H\to h_{125}h) = 0.0188$，$m_H \approx 750$ GeV且$m_h = 561$ GeV。
• $A \to h_{125}a$衰变的分支比${\rm BR}(A\to h_{125}a) = 0.0188$，且$a \to b\bar{b}$的分支比${\rm BR}(a\to b\bar{b}) = 0.797$，使$b\bar{b}b\bar{b}$末态具有可行性。
• $Z$-禁戒情景抑制了$Z$-介导衰变，使$b\bar{b}b\bar{b}$成为$A \to h_{125}a$的主要可探测通道。
• 极大偏离对准情景最大化$h_{125}$-样耦合，使$H \to h_{125}h_{125}$成为可探测通道，且在BP2中$A \to h_{125}a$的$\mu_{\text{Proj}}^{300\,{\rm fb}^{-1}} = 0.442$。