[论文解读] Beyond standard model Higgs physics: prospects for the High Luminosity LHC

André Holzner|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文预测了在高亮度LHC（HL-LHC）下，ATLAS与CMS对超出标准模型的Higgs物理的敏感度，重点研究向量玻色子散射中的异常四费米子规范耦合、双 Higgs双态模型（2HDM）中的额外中性Higgs玻色子，以及味改变的中性流top夸克衰变。预测显示，异常四费米子耦合的5σ探测能力可达10–15 TeV，通过重建质量变量可提升质量分辨率，且对t→ch分支比的95%置信水平上限预测为1.5×10⁻⁴。

ABSTRACT

This article summarizes a talk given at Higgs Hunting 2014 on projections of the sensitivity of the ATLAS and CMS experiments to beyond Standard Model Higgs physics at the High Luminosity Large Hadron Collider. We describe results on vector boson scattering, searches for additional neutral Higgs bosons in two Higgs doublet models and flavour changing neutral current top decays.

研究动机与目标

• 评估ATLAS与CMS在高亮度LHC下，通过Higgs玻色子耦合与衰变对超出标准模型新物理的敏感度。
• 评估在CP奇异与带电Higgs玻色子背景下，双Higgs双态模型（2HDM）中额外中性Higgs玻色子的发现潜力。
• 在扩展Higgs场结构的背景下，预测味改变的中性流top夸克衰变t→ch的探测能力。
• 通过优化重建技术（包括利用标称Z玻色子与Higgs玻色子质量进行质量重建）提升对重Higgs玻色子的敏感度。

提出的方法

• 利用质子-质子碰撞中的向量玻色子散射过程（WW、WZ、ZZ）通过末态粒子的运动学分布探测异常四费米子规范耦合。
• 应用事件选择标准，包括高横动量轻子、二喷胶子对质量阈值（>1 TeV）以及缺失横动量，以隔离信号。
• 采用重建质量变量，如$ m_A^{ ext{rec}} = m_{\ell\ell bb} - m_{\ell\ell} - m_{bb} + m_Z + m_h $，以提升在$ A \to hZ \to bb\ell\ell $衰变道中对CP奇异性Higgs玻色子的质量分辨率。
• 通过Higgs玻色子衰变为光子（$ \gamma\gamma $）的不变质量重建技术识别t→ch衰变，结合top夸克质量约束与轻子/喷胶子多重性限制。
• 应用W玻色子质量约束与缺失横动量重建技术，估算轻子衰变中中微子的动量。
• 整合多个末态（ZZ、WZ、WW、$ \mu\mu $、$ \gamma\gamma $）的结果，以预测在不同BSM情景下的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3000 fb⁻¹的HL-LHC下，ATLAS与CMS对向量玻色子散射中异常四费米子规范耦合的预期敏感度如何？
• RQ2 HL-LHC通过$ A \to hZ \to bb\ell\ell $衰变道对2HDM中CP奇异性Higgs玻色子的质量分辨能力如何？
• RQ3 在HL-LHC下，对味改变的top夸克衰变$ t \to ch $的分支比的95%置信水平上限预测为何？
• RQ4 诸如利用标称Z与Higgs玻色子质量进行质量重建等重建技术，如何提升对重Higgs玻色子的敏感度？
• RQ5 在MSSM基准情景下，$ A \to \mu^+\mu^- $衰变模式在$ m_A $与$ \tan\beta $平面上的探测能力如何？

主要发现

• 在$ WZ \to \ell^+\ell^-\nu\ell^+\ell^- $通道中，对异常四费米子规范耦合的5σ探测能力为10–15 TeV，具体取决于实验与末态。
• 在$ A \to hZ \to bb\ell\ell $衰变中，ATLAS研究通过使用重建质量变量$ m_A^{\text{rec}} $实现了更优的质量分辨率，从而增强了对CP奇异性Higgs玻色子的探测敏感度。
• $ A \to \mu^+\mu^- $通道提供了优异的质量分辨率，并在$ m_A $与$ \tan\beta $平面上实现5σ探测能力，当$ \tan\beta $较高时，可达到$ m_A \approx 1.5 $ TeV，如图5所示。
• 在3000 fb⁻¹后，对分支比$ \mathcal{B}(t \to ch) $的95%置信水平上限预测为$ 1.5 \times 10^{-4} $，显著优于Run I中观测到的0.56%上限。
• $ W^+W^+ \to \ell^+\bar{\nu}\ell^+\bar{\nu} $通道表现出截面乘以分支比的增加，但由于存在两个中微子，运动学重建能力下降。
• CMS与ATLAS均预测对$ WZ \to \ell^+\ell^-\ell^\pm\nu $通道的敏感度，ATLAS要求二喷胶子对质量阈值为1000 GeV，CMS为600 GeV，且CMS要求喷胶子之间$ \Delta\eta > 4.0 $。