[论文解读] Exotic Higgs Decay via AZ/HZ Channel: a Snowmass Whitepaper

Baradhwaj Coleppa, Felix Kling+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文研究了在扩展的希格斯玻色子谱中，通过 $A/Z$ 或 $H/Z$ 最终态的奇异希格斯衰变，重点分析了在14 TeV LHC上的 $gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 衰变链。在300 fb$^{-1}$ 亮度下，对于200–600 GeV之间的父希格斯玻色子质量，95% 置信度排除极限范围从30 fb到几 fb，5$\sigma$ 发现阶段约为排除极限的2–3倍，使得该衰变道在探测重希格斯玻色子方面具有重要价值，尤其是在NMSSM和2HDM等模型中，质量低于350 GeV的区域。

ABSTRACT

While the conventional searches for the Higgs boson focus on its decays to Standard Model (SM) particles: gamma gamma, ZZ, WW, bb and tau tau, in this study, we explore the decays A --> HZ or H --> AZ. Such decays could appear in the exotic decay of the observed SM-like Higgs h --> AZ with a light A, or for extra Higgses in beyond the SM new physics scenarios with an extended Higgs sector. We study the exclusion bounds as well as discovery reach at the LHC for various combinations of (m_A, m_H) for the process: gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll for l =e, mu. We find that for 14 TeV LHC with 300 fb^{-1} integrated luminosity, the 95% C.L. limits on the cross-section for gg --> A/H --> HZ/AZ --> bbll vary between about 30 fb to a few fb for the parent heavy Higgs mass in the range 200 GeV to 600 GeV, while the limits for 5 sigma discovery are about 2-3 times larger. Comparing with the specific case of Next to Minimal Supersymmetric Standard Model, we find that this channel could be useful for heavy Higgs searches, especially for Higgs masses below 350 GeV.

研究动机与目标

• 研究在LHC上探测 $A \to HZ$ 或 $H \to AZ$ 奇异希格斯衰变在 $bb\ell\ell$ 最终态中的可行性。
• 在一系列 $m_A$ 和 $m_H$ 质量下，建立此类衰变的模型无关排除极限与发现极限。
• 评估该衰变道相对于传统希格斯搜索模式的灵敏度，特别是在 $t\bar{t}$ 衰变占主导的场景中。
• 评估该衰变道在特定BSM模型中的相关性，尤其是NMSSM和通用2HDM。
• 基于真实的探测器模拟与背景抑制，为未来实验搜索提供定量基准。

提出的方法

• 使用MadGraph 5/MadEvent生成事件，Pythia进行部分子辐射与强子化，模拟信号过程 $gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell$。
• 通过Delphes 3.07与Snowmass联合LHC探测器卡进行探测器级模拟，以建模重建效应。
• 实施一系列级联的运动学与粒子识别筛选：$n_\ell = 2$，$n_b = 2$，$|\eta| < 2.5$，$m_{\ell\ell}$，$m_{bb}$，$m_{bb\ell\ell}$，以及基于 $p_T$ 的选择，以抑制背景。
• 使用theta-auto程序基于带剪枝的信号与背景截面计算95% 置信度排除极限与5$\sigma$ 发现阶段极限。
• 将结果与基准模型对比，特别是NMSSM，使用 $m_H = 125 \pm 2$ GeV 的代表性 $\sigma \times BR$ 值。
• 通过在灵敏度计算中引入背景估计值10%的系统误差，考虑系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14 TeV LHC上，$bb\ell\ell$ 最终态中奇异希格斯衰变 $A \to HZ$ 或 $H \to AZ$ 的排除与发现灵敏度如何？
• RQ2 对于300 fb$^{-1}$ 亮度，$\sigma \times BR(gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell)$ 的极限如何随 $m_A$ 与 $m_H$ 变化？
• RQ3 $HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 衰变道能否在重希格斯玻色子探测中与 $t\bar{t}$ 衰变道竞争？
• RQ4 该衰变道的探测能力与NMSSM和通用2HDM场景中的现有极限相比如何？
• RQ5 探测器级效应与背景抑制效率对最终灵敏度的影响如何？

主要发现

• 在14 TeV LHC、300 fb$^{-1}$ 亮度下，$\sigma \times BR(gg \to A/H \to HZ/AZ \to bb\ell\ell)$ 的95% 置信度排除极限在200 GeV至600 GeV的父希格斯玻色子质量范围内，约为30 fb至几 fb。
• 5$\sigma$ 发现阶段约为95% 置信度排除极限的2–3倍，例如在 $m_A = 250$ GeV 时约为65 fb，在 $m_A = 600$ GeV 时约为5.6 fb（$m_H = 125$ GeV）。
• 当 $m_A$ 较大且 $m_H$ 较小时，灵敏度提高，但在 $m_A$ 极高而 $m_H$ 极小时，$b$ 价夸克喷注会高度聚集，导致不满足双喷注要求，灵敏度下降。
• 在NMSSM中，该 $HZ/AZ \to bb\ell\ell$ 衰变道对质量低于350 GeV的希格斯玻色子特别有效，因为此时 $t\bar{t}$ 衰变通道开启并压制了其他信号。
• 在通用Type-II 2HDM中，该衰变道仍具竞争力，对于质量高于350 GeV的希格斯玻色子，甚至可能优于 $t\bar{t}$ 通道。
• 引入背景估计值10%的系统误差后，探测能力略有下降，但整体灵敏度在所研究的质量范围内依然稳健。