[论文解读] HiggsTools: BSM scalar phenomenology with new versions of HiggsBounds and HiggsSignals

Henning Bahl, Thomas Biekötter+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本论文提出 HiggsTools-1，这是一个统一的 C++ 框架，原生支持 Python 和 Mathematica 接口，重新构想用于 BSM 标量现象学的 HiggsBounds 和 HiggsSignals。它引入了 HiggsPredictions 用于模型输入，通过完整的双 Higgs 和双重带电 Higgs 搜索极限增强了 HiggsBounds，并统一了 HiggsSignals 对复杂测量的处理——实现了对 LHC 和 LEP 数据的精确、自动化 BSM 模型测试，显著提升了准确性和可扩展性。

ABSTRACT

The codes HiggsBounds and HiggsSignals compare model predictions of BSM models with extended scalar sectors to searches for additional scalars and to measurements of the detected Higgs boson at 125GeV. We present a unification and extension of the functionalities provided by both codes into the new HiggsTools framework. The codes have been re-written in modern C++ with native Python and Mathematica interfaces for easy interactive use. We discuss the user interface for providing model predictions, now part of the new sub-library HiggsPredictions, which also provides access to many cross sections and branching ratios for reference models such as the SM. HiggsBounds now implements experimental limits purely through json data files, can better handle clusters of BSM particles of similar masses (even for complicated search topologies), and features an improved handling of mass uncertainties. Moreover, it now contains an extended list of Higgs-boson pair production searches and doubly-charged Higgs boson searches. In HiggsSignals, the treatment of different types of measurements has been unified, both in the χ2 computation and in the data file format used to implement experimental results. Program title:HiggsTools CPC Library link to program files:https://doi.org/10.17632/b25smy28cj.1 Developer's repository link:https://gitlab.com/higgsbounds/higgstools Licensing provisions: GPLv3 Programming language:C++, Python, Mathematica Journal reference of previous version: P. Bechtle, O. Brein, S. Heinemeyer, G. Weiglein, K.E. Williams, Comput. Phys. Commun. 182 (2011), 2605-2631 Does the new version supersede the previous version?: Yes Reasons for the new version: This version extends the functionality of the previous versions and is re-written in modern C++. Summary of revisions: List of included Higgs-boson searches and Higgs-boson rate measurements has been expanded. Nature of problem: Determine whether a parameter point of a given model is excluded or allowed by LEP and LHC Higgs boson search results, and whether this model point is in agreement with the LHC Higgs-boson rate measurements. Solution method: Exclusion by Higgs boson searches: The most sensitive channel from LEP and LHC searches is determined and subsequently applied to test this parameter point for each Higgs boson of the model under consideration. The test requires as input, model predictions for the Higgs boson masses, branching ratios and ratios of production cross sections with respect to reference values. Agreement with LHC Higgs-boson rate measurements: A χ2 value is calculated based on the available LHC rate measurements. This calculation requires as input model predictions for the Higgs boson(s) at ∼125 GeV. Additional comments including restrictions and unusual features: Assumes that the narrow width approximation is applicable in the model under consideration and that the model does not predict a significant change to the signature of the background processes or the kinematical distributions of the signal cross sections.

研究动机与目标

• 将基于 Fortran 的传统 HiggsBounds 和 HiggsSignals 工具现代化并统一，用于 BSM Higgs 现象学。
• 提供一个用户友好、可扩展的框架，用于将 BSM 模型与 LHC 和 LEP 的 Higgs 搜索极限及精确测量进行对比测试。
• 将 HiggsPredictions 集成为核心库，用于模型输入，包括参考模型的截面和分支比。
• 通过支持非共振双 Higgs 和双重带电 Higgs 搜索，增强 HiggsBounds 的功能，并改进质量不确定性和粒子聚类的处理。
• 扩展 HiggsSignals 以处理超越简单率约束的复杂测量，包括 CP 敏感分析（如 CMS 的 τ⁺τ⁻ 耦合测量）。

提出的方法

• 使用模块化设计，用现代 C++ 重写 HiggsBounds 和 HiggsSignals，提升性能、可维护性和可扩展性。
• 引入 HiggsPredictions 作为独立子库，用于定义 BSM 标量模型，通过显式输入或有效耦合指定质量、宽度、量子数以及产生/衰变率。
• 将 HiggsBounds 中的硬编码极限替换为基于动态 JSON 的数据文件，实现新实验结果的灵活、可扩展集成。
• 增强 HiggsBounds 中的粒子聚类功能，以处理多个质量相近的 BSM 标量及复杂衰变拓扑结构。
• 扩展 HiggsSignals，统一不同测量类型（包括非率可观测量，如 CP 敏感耦合）的 χ² 计算。
• 提供一流的 C++、Python 和 Mathematica 接口，支持交互式使用，附带详细文档和示例工作流。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将传统的 HiggsBounds 和 HiggsSignals 工具现代化并统一为一个可扩展的 BSM Higgs 现象学框架？
• RQ2 新引入的 HiggsPredictions 库在多大程度上简化了 BSM 模型中产生和衰变率预测的输入？
• RQ3 在 HiggsBounds 中引入完整的双 Higgs 和双重带电 Higgs 搜索极限后，灵敏度和准确性的提升程度如何？
• RQ4 HiggsSignals 中对复杂测量的统一处理方式，如何提升 BSM 模型与 LHC 数据兼容性测试的性能？
• RQ5 使用正确的信号截面预测对模型参数（如魅夸克 Yukawa 耦合）的约束有何影响？

主要发现

• 新推出的 HiggsTools-1 框架（包含 HiggsPredictions、HiggsBounds 和 HiggsSignals）已通过 GitLab 发布，支持 C++、Python 和 Mathematica 接口。
• HiggsPredictions 通过显式参数或有效耦合实现精确的模型输入，并内置访问标准模型及常见 BSM 模型的参考截面和分支比。
• HiggsBounds 现在支持完整的双 Higgs 对产生搜索（如 h125h125 → bbγγ、bbbb、ττγγ）和双重带电 Higgs 粒子极限，显著扩展了其适用范围。
• HiggsSignals 现在可处理非率测量（如 CP 敏感的 CMS h → τ⁺τ⁻ 分析），从而对 Higgs 耦合结构施加更精确的约束。
• 基准研究显示，使用正确的信号截面预测至关重要——错误假设可能导致对魅夸克 Yukawa 耦合的误导性约束。
• 在 2HDM 模型中，结合 HiggsBounds（直接搜索）和 HiggsSignals（率测量）的联合约束表明，显著的 BSM 效应依然可行，尤其在类型 I 模型中，当 Higgs 质量为 800 GeV 时。