[论文解读] Discovering extra Higgs boson via pair production of the SM-like Higgs bosons

Jia Liu, Xiao-Ping Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

该论文提出通过在LHC上通过共振产生SM类希格斯玻色子（H）的双粒子衰变过程来发现额外的希格斯玻色子（S），其中S通过一个重标量共振态主要衰变为HH。在√s = 14 TeV下使用1000 fb⁻¹的积分亮度，研究发现在多个衰变道中信号与背景比（S/B）极佳（>100），尤其是在涉及轻子或光子的衰变道中；尽管bb̄bb̄道道分支比最大，但受QCD背景影响而受限。

ABSTRACT

In the standard model (SM), pair production rate of Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC) is quite low. One usually think that it is extremely important for the measurement of triple Higgs coupling at the high luminosity LHC. In this paper, we propose to search for the extra Higgs boson (denoted as $S$) utilizing pair production of the SM-like Higgs boson ($H$) which was discovered in July, 2012.The pair production of $H$ can be huge due to the resonant production of heavy scalar $S$, namely $PP ightarrow S ightarrow HH$. The couplings of $H$ with weak gauge boson are similar to ones in the SM and it implies that the couplings between $S$ and gauge bosons are likely suppressed. Provided that $S$ is heavy enough, the decay into weak gauge bosons may not be the dominant modes. Instead $S$ can decay into a pair of $H$ and offer the promising channel to discover it. In this paper, we studied the 5 promising decay modes of $H$, i.e. $b\bar{b}$, $WW^*$, $ZZ^*$, $γγ$ and $τ^+τ^-$, and simulated the signals and backgrounds for the 15 combination modes for $HH$ at the LHC with $\sqrt{s}= 14$ TeV and integrated luminosity $\mathcal{L}=1000fb^{-1}$. We found that with the help of suitable selection rules, very good signal to background ratio $S/B$ can be archived in many decay channels, for example $b\bar b+ (WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$, $WW^*+(WW^*, ZZ^*, γγ, τ^+τ^-)$ and $τ^+τ^- +(γγ, τ^+τ^-)$. For the detailed results please refer to Table ef{tab:discovery} in the text. On the contrary, $b\bar b b\bar b$ mode is less important due to the huge QCD background. However if one has excellent control on light jet mis-tagging, the $b\bar b b\bar b$ mode can be promising to discover the extra Higgs boson due to its the largest branching ratio compared to other modes.

研究动机与目标

• 通过利用S → HH衰变的共振产生机制，探索在LHC上发现额外希格斯玻色子（S）的新途径。
• 评估S在不同希格斯玻色子衰变末态中的发现潜力，特别是那些具有高信号与背景比的末态。
• 评估QCD和电弱背景对不同衰变道组合的影响，尤其是在高亮度LHC运行背景下。
• 在实际实验选择规则和背景抑制技术条件下，识别最适合探测S的衰变道。

提出的方法

• 使用Madgraph 5模拟S → HH产生及后续希格斯玻色子衰变的 parton 级过程，重点关注15种衰变道组合。
• 应用动量选择规则，包括H和S的不变质量重建，以提高信号与背景比。
• 在√s = 14 TeV下使用1000 fb⁻¹的亮度，估算不同衰变模式下的信号与背景事例数。
• 评估背景贡献，特别是QCD诱导过程以及误识别喷流（如轻夸克喷流误判为b-喷流或光子）的影响。
• 在Madgraph中实施pT截断以提高事件生成效率并降低计算成本。
• 比较不同衰变模式下的信号统计量与S/B比，识别具有高发现潜力的通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过S → HH衰变的共振产生，能否为LHC上额外希格斯玻色子的发现提供可行的探测通道？
• RQ2 哪些希格斯玻色子衰变模式组合（如bb̄、WW*、ZZ*、γγ、τ⁺τ⁻）能为探测S提供最高的信号与背景比？
• RQ3 QCD和电弱背景如何影响S在不同末态中的可探测性，特别是在多轻子和二光子末态中？
• RQ4 背景抑制技术（如轻子标记和不变质量重建）能在多大程度上提升探测潜力？
• RQ5 在分支比高的通道（如bb̄bb̄）与稀有但更干净的模式（如γγγγ）中，S的预期事例数和S/B比分别是多少？

主要发现

• 在多个衰变道中，信号与背景比（S/B）超过100，包括b̄b̄ + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻)、WW* + (WW*, ZZ*, γγ, τ⁺τ⁻) 以及 τ⁺τ⁻ + (γγ, τ⁺τ⁻)，表明具有极强的发现潜力。
• bb̄bb̄末态受QCD背景的强烈影响，尽管其分支比最大，但发现潜力被显著削弱。
• γγγγ和ZZ*ZZ*末态信号事例数较少（分别约为35和9起），由于信号事件有限，不适合作为发现候选。
• 涉及一个希格斯玻色子衰变为τ⁺τ⁻或WW*，另一个衰变为轻子或二光子模式的通道，可产生数百个信号事例，且S/B比高于100。
• τ⁺τ⁻ + τ⁺τ⁻末态产生约70个信号事例，由于最终态为六轻子，具有高度清洁性，展现出极强的发现潜力。
• 即使存在喷流误识别背景，基于τ⁺τ⁻的通道S/B比仍高于100，表明对这类背景具有强鲁棒性。