[论文解读] BSM Higgs searches in the gluon fusion process pp -> h +jet -> au^+ au^- + jet at the LHC

A. Belyaev, Renato Guedes+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 1

一句话总结

本文研究了在14 TeV LHC上，通过胶子融合产生并衰变为τ轻子和喷胶的非常轻的希格斯玻色子在新物理（BSM）情景下的发现潜力。利用部分子层次的模拟，结果表明，在早期数据（低至100 pb⁻¹）下，对于具有标准模型（SM）费米子耦合的轻希格斯玻色子（20–60 GeV），在某些2HDM+nD和3HDM(D)模型中，可在95%置信水平下被排除，尤其是在tanβ较大或特定混合参数区域。

ABSTRACT

The mass of the Standard Model (SM) Higgs boson was constrained by the Large Electron-Positron (LEP) collider to be above 114.4 GeV. Simple extensions of the scalar sector like adding singlets and/or doublets allow the lightest Higgs to be much lighter via a reduction in its coupling to gauge bosons. Such a light Higgs could have evaded the LEP searches but could be detected at the Large Hadron Collider (LHC) in the process pp -> h j -> tau^+ tau^- j, where j is a resolved jet. We conclude that in some Beyond the Standard Model (BSM) extensions of the scalar sector, a very light Higgs state could be detected at the 14 TeV LHC with early data.

研究动机与目标

• 评估探测一个低于60 GeV的非常轻的希格斯玻色子的可行性，该玻色子因对规范玻色子耦合被抑制而逃过了LEP的约束。
• 研究这种轻希格斯态是否可通过胶子融合过程pp → h + jet → τ⁺τ⁻ + jet在LHC上被发现。
• 评估在标准模型之外的扩展希格斯结构中，LHC在早期积分亮度（如100 pb⁻¹）下的发现与排除潜力。
• 探讨额外希格斯双态或单态之间的混合如何影响2HDM+nD和3HDM(D)等模型中希格斯耦合与产生截面。

提出的方法

• 在√s = 14 TeV下，对pp → h + jet → τ⁺τ⁻ + jet过程进行部分子层次研究，重点关注胶子融合作为主要产生模式。
• 通过添加n个双态（2HDM+nD）或单态，分析扩展的希格斯结构，利用角度（θ, α, β, Ω）和真空期望值（VEVs）参数化混合。
• 利用混合参数推导出修改后的希格斯对规范玻色子和费米子的耦合：gVVh = (cosΩcosθ sin(β−α) + sinΩsinθ)gSMVVh 和 gffh = cosθ / cosΩ × (cosα/sinβ 或 −sinα/cosβ) × gSMffh。
• 评估信号强度比 σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻) 随希格斯质量、tanβ和混合角的变化。
• 使用亮度阈值（100 pb⁻¹, 500 pb⁻¹, 1 fb⁻¹）确定实现95%置信水平排除或3σ/5σ发现所需的积分亮度。
• 考虑特殊情形，如gVVh = 0（通过精细调节混合避免LEP限制）和具有上型、下型夸克及轻子独立VEVs的对称3HDM(D)。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过pp → h + jet → τ⁺τ⁻ + jet通道在LHC上探测到一个20–60 GeV的非常轻的希格斯玻色子，其对规范玻色子的耦合被抑制？
• RQ2 在2HDM+nD和3HDM(D)模型中，实现95%置信水平排除或3σ/5σ发现轻希格斯玻色子所需的积分亮度是多少？
• RQ3 混合角（θ, α, β）和真空期望值（v1, v2, v0, vl）如何影响扩展模型中轻希格斯玻色子的产生截面和分支比？
• RQ4 在参数空间的哪些区域（如高tanβ、特定混合）中，可使用早期LHC数据（≤1 fb⁻¹）探测到轻希格斯玻色子？
• RQ5 在gVVh = 0（即无W/Z耦合）的情形下，是否仍可通过费米子衰变发现轻希格斯玻色子？若可，需要多大亮度？

主要发现

• 在√s = 14 TeV下，使用少于1 fb⁻¹的积分亮度，可于95%置信水平下排除质量范围为20–60 GeV的轻希格斯玻色子，其对费米子的耦合与标准模型一致。
• 在2HDM+nD的模型II中，当mh < 60 GeV且tanβ = 30时，仅需100 pb⁻¹的亮度即可探测。
• 在2HDM+nD的模型IV中，500 pb⁻¹的亮度足以探测mh < 60 GeV且tanβ = 2–3的参数空间的大部分区域。
• 在3HDM(D)模型中，当sinΩ ≈ 0.1且α ≈ β时，即使在5 fb⁻¹的积分亮度下，95%置信水平下仍仅有极小部分参数空间未被探测。
• 当Ω较小时，信号强度比 σ(pp→hg)BR(h→τ⁺τ⁻) / σ(pp→hSMg)BR(hSM→τ⁺τ⁻) 可增强至1/cos²Ω倍，表明在某些混合区域中截面显著增强。
• 在gVVh = 0的情形下（例如sin(β−α) = −tanΩtanθ），无需精细调节即可避免LEP限制，且当tanβ较大或混合有利时，此类模型仍可通过τ⁺τ⁻衰变发现轻希格斯玻色子。