[论文解读] Heavy Higgs Scalars at Future Hadron Colliders (A Snowmass Whitepaper)

E. Brownson, Nathaniel Craig+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 11

一句话总结

本文评估了在未来的14 TeV和33 TeV强子对撞机上，对两希格斯双重模型（2HDM）中重希格斯标量（H 和 A）的发现潜力。通过使用MadGraph、Pythia和Delphes进行蒙特卡洛模拟，研究发现，通过胶子融合过程及衰变至ZZ和Zh通道的直接搜索，可以在参数空间的某些区域排除或发现额外的希格斯态——特别是接近对齐极限（|cos(β−α)| ≲ 0.01）且tanβ ≲ 1的区域——这些区域仅靠精确的希格斯耦合测量无法探测。

ABSTRACT

We investigate the prospects for discovery or exclusion of additional Higgs scalars at the 14 TeV and 33 TeV LHC in the context of theories with two Higgs doublets. We focus on the modes with the largest production rates at hadron colliders, namely gluon fusion production of a heavy CP-even scalar H or a heavy CP-odd pseudoscalar A. We consider the sensitivity of the decay channels H to ZZ to 4l, and A to Zh with Z to ll and h to bb or h to tautau.

研究动机与目标

• 评估未来强子对撞机对两希格斯双重模型（2HDM）中额外中性希格斯标量（H 和 A）的探测灵敏度。
• 识别当前希格斯耦合测量无法探测的2HDM参数空间区域——特别是接近对齐极限的区域。
• 评估直接搜索与精确希格斯耦合测量在约束扩展希格斯结构方面的互补性。
• 确定在14 TeV和33 TeV LHC能量下，考虑真实堆叠条件的重希格斯玻色子的发现与排除能力。
• 通过快速模拟工具验证结果对探测器效应和堆叠变化的鲁棒性。

提出的方法

• 使用MadGraph模拟H和A通过胶子融合产生的信号事件，基于2HDM类型I和II中的α和β角对截面和分支比进行解析重加权。
• 使用Pythia进行部分子辐射和强子化处理，使用Delphes对通用LHC类探测器进行快速探测器模拟。
• 使用ggh@nnlo和[14]中的方法，解析计算信号截面和分支比，设定λ₅=λ₆=λ₇=0以简化2HDM参数空间。
• 通过ZZ和Zh末态的不变质量分布评估发现与排除潜力，背景率不确定性为20%。
• 在不同积分亮度（300 fb⁻¹ 和 3000 fb⁻¹）和质心系能量（14 TeV 和 33 TeV）下评估性能，包括堆叠效应。
• 结合bb和ττ末态结果以提高灵敏度，并与现有来自精确测量的希格斯耦合约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14 TeV和33 TeV强子对撞机上，2HDM中重CP偶宇称H和CP奇宇称A希格斯玻色子的发现能力如何？
• RQ2 在对齐极限（|cos(β−α)| ≲ 0.01）和低tanβ区域，直接搜索的灵敏度与精确希格斯耦合测量相比如何？
• RQ3 在不同2HDM类型中，哪些衰变道（H→ZZ 和 A→Zh）对发现重希格斯态具有最佳灵敏度？
• RQ4 结果对堆叠效应和探测器条件变化的鲁棒性如何，特别是在高亮度条件下？
• RQ5 在95%置信水平下，哪些tanβ与cos(β−α)参数空间区域可被排除，或在3σ/5σ显著性水平下被发现？

主要发现

• 在3000 fb⁻¹积分亮度下，33 TeV对撞机可排除或发现|cos(β−α)| ≲ 0.01且tanβ ≲ 1的参数空间区域中的重希格斯态，这些区域目前的希格斯耦合测量难以探测。
• 在33 TeV对撞机上，500 GeV的A玻色子在3000 fb⁻¹数据下可实现5σ发现，覆盖了tanβ与cos(β−α)平面的显著区域。
• 在A→Zh衰变中结合bb和ττ末态可提高灵敏度，使原本未被精确希格斯耦合测量约束的参数空间区域得以排除。
• 直接搜索与精确希格斯耦合测量具有强互补性，尤其在对齐极限区域，此时分支比和耦合趋于标准模型行为。
• 结果对堆叠效应具有鲁棒性，即使在<NPU> = 140时灵敏度也无显著下降，验证了快速模拟在高亮度场景下的适用性。
• 在3000 fb⁻¹和33 TeV条件下，对类型I和II 2HDM中|cos(β−α)| ≲ 0.01且tanβ ≲ 1的A玻色子，排除能力可延伸至300 GeV的质量范围。