[论文解读] Further Investigation on Model-Independent Probe of Heavy Neutral Higgs Bosons at the LHC Run 2

Yu-Ping Kuang, H. Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文在14 TeV LHC Run 2条件下，对$pp \to VH^* \to VVV$过程进行了全面的模型无关分析，通过其维度-6有效耦合探测重的中性Higgs玻色子（$H$）。研究建立了1σ、3σ和5σ统计显著性水平与$M_H = 400$、500和800 GeV时有效耦合常数（$\rho_H f_W/\Lambda^2$，$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$）允许范围之间的定量关系，表明该过程在发现$H$以及实验测定其异常耦合或在未观测到$H$时设定排除界限方面均为最优选择。

ABSTRACT

In our previous paper, we provided general effective Higgs interactions for the lightest Higgs boson $h$ (SM-like) and a heavier neutral Higgs boson $H$ based on the effective Lagrangian formulation up to the dim-6 interactions, and then proposed two sensitive processes for probing $H$. We showed in several examples that the resonance peak of $H$ and its dim-6 effective coupling constants (ECC) can be detected at the LHC Run 2 with reasonable integrated luminosity. In this paper, we further perform a more thorough study of the most sensitive process, $pp o VH^\ast o VVV$, on the information about the relations between the $1σ,\,3σ,\,5σ$ statistical significance and the corresponding ranges of the Higgs ECC for an integrated luminosity of 100 fb$^{-1}$. These results have two useful applications in the LHC Run 2: (A) realizing the experimental determination of the ECC in the dim-6 interactions if $H$ is found and, (B) obtaining the theoretical exclusion bounds if $H$ is not found. Some alternative processes sensitive for certain ranges of the ECC are also analyzed.

研究动机与目标

• 通过包含至维度-6算符的有效场论，为LHC Run 2中的重中性Higgs玻色子（$H$）提供一种模型无关的探测方法。
• 确定$pp \to VH^* \to VVV$过程对异常$HVV$耦合（特别是$\rho_H f_W/\Lambda^2$和$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$）的敏感度，针对$M_H = 400$、500和800 GeV的情况。
• 建立100 fb⁻¹积分亮度下，统计显著性水平（1σ、3σ、5σ）与有效耦合常数允许范围之间的定量联系。
• 比较$VH^*$过程与传统的由胶子融合（GF）和矢量玻色子融合（VBF）产生的共振Higgs玻色子在发现潜力和排除敏感度方面的表现。

提出的方法

• 构建了包含$V = W, Z$的$HVV$相互作用的$H$的维度-6算符有效拉格朗日量，涵盖维度-4和维度-6的$HVV$耦合。
• 定义有效耦合参数$\rho_H = g_H^2 v_H / (g^2 v)$、$\rho_H f_W/\Lambda^2$和$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$，以参数化混合效应和新物理影响。
• 在14 TeV LHC下对$pp \to VH^* \to VVV$过程进行详细的蒙特卡罗模拟，积分亮度为$\mathcal{L}_{\text{int}} = 100$ fb⁻¹，以计算统计显著性轮廓。
• 利用单位性界限（UB）和Run 1的实验限制（EB）对$\rho_H$、$f_W$和$f_{WW}$的参数空间进行约束。
• 将$VH^*$通道与胶子融合（GF）和矢量玻色子融合（VBF）过程在$H$产生和耦合测量方面的表现进行比较。
• 分析各过程对异常耦合的敏感度，并评估其发现能力与排除界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100 fb⁻¹积分亮度下，$pp \to VH^* \to VVV$过程在探测有效耦合$\rho_H f_W/\Lambda^2$和$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$时，可实现的统计显著性水平（1σ、3σ、5σ）是多少？
• RQ2 单位性界限（UB）和Run 1的实验限制（EB）如何约束$H$的有效耦合参数空间？
• RQ3 如果在Run 2中发现了$H$，$VH^*$过程是否能为实验测定异常$HVV$耦合提供可行路径？
• RQ4 $VH^*$的发现潜力与通过GF和VBF实现的传统共振Higgs产生方式相比如何，针对不同$H$质量与耦合类型？
• RQ5 如果在LHC Run 2中未观测到$H$，可通过$VH^*$过程设定怎样的有效耦合排除界限？

主要发现

• $pp \to VH^* \to VVV$过程在14 TeV LHC、100 fb⁻¹亮度下，是对异常$HVV$耦合$\rho_H f_W/\Lambda^2$和$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$最敏感的探测方式。
• 对于$M_H = 400$ GeV，5σ发现能力可延伸至$|\rho_H f_W/\Lambda^2| \sim 0.005$ GeV⁻²和$|\rho_H f_{WW}/\Lambda^2| \sim 0.003$ GeV⁻²，具体取决于$\rho_H$和$C_t$。
• 若$H$被发现，$VH^*$过程可直接实验测定$\rho_H f_W/\Lambda^2$和$\rho_H f_{WW}/\Lambda^2$，为区分可行的新物理模型提供一种新的高能判据。
• 从$VH^*$过程导出的有效耦合排除界限显著强于GF和VBF过程，尤其在$M_H = 800$ GeV时更为明显。
• 通过GF和VBF实现的共振Higgs产生对异常耦合的敏感度有限，仅在参数空间的狭窄区域内具有发现潜力，尤其在Type-I-A和Type-II模型中更为显著。
• $VH^*$通道在发现和精确测量$H$的异常耦合方面均优于GF和VBF，使其成为Run 2中探测重中性Higgs玻色子的最优过程。