[论文解读] Higgs Search Constraints on Fourth Generation Scenarios with General Lepton Sectors

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文在包含通用轻子 sector的第四代模型中，建立了希格斯 boson 的一般性排除界限，表明由于增强的产生机制和主要衰变为重夸克，当前 LHC 搜索已排除 155–600 GeV 之间的希格斯质量。然而，若第四代中微子质量较轻（低于希格斯质量的一半）且在狄拉克与马约拉纳态之间高度混合，则希格斯可主要衰变为这些中微子，从而逃避探测，在 155 GeV 以下保留可观的参数空间。

ABSTRACT

I present a general exclusion bound for the Higgs in fourth generation scenarios with a general lepton sector. Recent Higgs searches in fourth generation scenarios rule out the entire Higgs mass region between 120 and 600 GeV. That such a large range of Higgs masses are excluded is due to the presence of extra heavy flavors of quarks, which substantially increase Higgs production from gluon fusion over the Standard Model rate. However, if heavy fourth generation neutrinos are less than half of the Higgs mass, they can dominate the Higgs decay branching fraction, overtaking the standard Higgs to WW* decay rate. The Higgs mass exclusion in a fourth generation scenario is shown most generally to be 155-600 GeV, and is highly dependent on the fourth generation neutrino mixing parameter.

研究动机与目标

• 重新评估具有通用轻子 sector 的第四代模型中的希格斯排除界限，特别关注中微子混合与质量参数。
• 确定若希格斯主要衰变为轻量第四代中微子，第四代模型中希格斯产生截面显著增强的现象是否可被规避。
• 识别在严格 LHC 希格斯搜索约束下仍可行的第四代中微子质量与混合参数空间。
• 量化希格斯分支比进入 WW* 如何依赖于中微子混合角与质量构型，特别是在中微子衰变通道占主导的区域。

提出的方法

• 构建一个包含狄拉克与马约拉纳质量项的通用第四代中微子质量矩阵，导致两个马约拉纳质量本征态。
• 推导希格斯与这些中微子质量本征态的耦合，作为混合角的函数，显示其对狄拉克与马约拉纳质量分量比值的依赖性。
• 计算第四代模型中希格斯衰变为 WW* 的宽度，并与标准模型比较，使用衰变宽度比值作为中微子质量与混合参数的函数。
• 应用 CMS 与 ATLAS 希格斯搜索排除限值（特别是 h→WW* 末态），利用衰变宽度比值确定参数空间的可行区域。
• 在 N1–N2 中微子质量平面上进行等高线图绘制，可视化不同希格斯质量下允许的区域，强调混合角与动力学阈值的作用。
• 同时考虑稳定与不稳定的中微子情形，评估其对希格斯衰变末态拓扑（隐形或硬轻子末态）与搜索灵敏度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 若希格斯主要衰变为轻量第四代中微子，第四代模型中的希格斯 boson 在多大程度上可逃避当前 LHC 的排除界限？
• RQ2 希格斯衰变分支比进入 WW* 如何依赖于第四代中微子狄拉克与马约拉纳分量之间的混合角？
• RQ3 当希格斯衰变为轻量中微子而非 WW* 时，第四代情景中仍可行的最大希格斯质量是多少？
• RQ4 第四代夸克引起的希格斯产生截面增强，如何与因中微子分支比导致的 WW* 衰变通道抑制相互作用？
• RQ5 若希格斯衰变为一对轻量、不稳定的第四代中微子，且其随后衰变为 W 玻色子与轻子，对希格斯搜索有何影响？

主要发现

• 在第四代模型中，若希格斯衰变为标准末态，155 至 600 GeV 的希格斯质量区域被排除，原因在于胶子融合产生过程增强及 WW* 衰变占主导。
• 对于低于 155 GeV 的希格斯质量，若最轻的第四代中微子质量小于希格斯质量的一半且在狄拉克与马约拉纳态之间高度混合，则第四代参数空间的显著部分仍保持可行。
• 当第四代中微子接近纯狄拉克态（混合角接近 π/4）时，其与希格斯的耦合达到最大，随着中微子更趋近马约拉纳态（混合角接近 π/2），耦合强度下降。
• 当希格斯衰变为轻量中微子时，特别是当中微子不稳定并衰变为 W 玻色子与轻子时，进入 WW* 的分支比显著降低，从而改变末态拓扑结构。
• 在希格斯质量高于约 300 GeV 时，无论中微子参数如何，WW* 的分支比均因相空间优势而占主导，进一步强化了对 600 GeV 以下区域的排除。
• 当第四代中微子处于良好混合状态（中等混合角）时，允许的参数空间最广，而当其趋于纯马约拉纳态或过重而无法发生动力学衰变时，参数空间迅速缩小。