[论文解读] Impact on the Higgs Production Cross Section and Decay Branching Fractions of Heavy Quarks and Leptons in a Fourth Generation Model

X. Ruan, Z. Zhang|arXiv (Cornell University)|May 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文研究了第四代重夸克和轻子对标准模型中希格斯玻色子产生与衰变的影响。结果表明，额外的夸克圈显著增强了胶子-胶子融合截面——在低希格斯质量下最多增强9倍——并改变了H→gg、H→γγ和H→γZ的分支比，且这些效应在理论不确定性（如部分子分布函数选择和高阶修正）下依然稳健。

ABSTRACT

In a fourth generation model with heavy quarks, the production cross section of the Higgs boson in the gluon-gluon fusion process is significantly increased due to additional quark loops. In a similar way, the partial decay width of the decay channels $H ightarrow gg, γγ$ and $γZ$ is modified. These changes and their impact on the Higgs search are discussed.

研究动机与目标

• 评估第四代重费米子对胶子-胶子融合产生希格斯玻色子的影响。
• 评估由于额外的重夸克和轻子圈，希格斯衰变分支比（特别是H→gg、H→γγ和H→γZ）的修改。
• 确定这些变化如何影响大型强子对撞机（LHC）和 Tevatron 上的希格斯玻色子搜寻策略。
• 量化这些效应在理论不确定性（包括部分子分布函数选择和高阶QCD/电弱修正）下的鲁棒性。
• 比较两种质量情景：一种是第四代夸克质量极重（10 TeV），另一种是质量较轻（400 GeV），评估其相对影响。

提出的方法

• 使用有效拉格朗日量方法计算了树图阶（LO）胶子-胶子融合截面，振幅由依赖于夸克质量和希格斯质量的圈积分函数Iq决定。
• 推导出增强因子R^SM4/SM_σ(gg→H) = |It + Ib + It4 + Id4|² / |It + Ib|²，显示由于第四代夸克导致的截面相对增加。
• 使用所有带电费米子（包括第四代夸克和轻子）的圈贡献，计算了H→gg、H→γγ和H→γZ的分支宽度。
• 使用HIGLU和HDECAY代码计算分支比和截面，仅在标准模型中应用修正以作比较。
• 在两种情景下比较结果：m_d4 = 10 TeV（高质景）和m_d4 = 400 GeV（较轻），其中m_t4通过与电弱精确数据的一致性条件确定。
• 通过计算比值R^SM4/SM = [σ(gg→H) × B(H→X)]_SM4 / [σ(gg→H) × B(H→X)]_SM来隔离净信号增强，以最小化对理论不确定性的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含第四代夸克 doublet（t4, d4）后，对希格斯玻色子胶子-胶子融合截面有何影响？
• RQ2 由第四代重费米子圈贡献的额外贡献，对H→γγ、H→gg和H→γZ的分支比有多大程度的修改？
• RQ3 理论不确定性（如PDF选择、高阶QCD修正和电弱效应）如何影响第四代模型中预测的信号增强？
• RQ4 不同第四代夸克和轻子质量尺度（例如400 GeV与10 TeV）对希格斯信号强度和衰变模式有何影响？
• RQ5 在第四代模型背景下，这些结果的信号增强与现有的LHC和Tevatron对希格斯玻色子的排除极限相比如何？

主要发现

• 在低希格斯质量下（m_H ≈ 110 GeV），由于t4和d4圈的主导贡献，包含第四代夸克时，胶子-胶子融合截面最多增强9倍。
• 第四代模型中H→γγ的分支比得到增强，高质景下低m_H时，比值R^SM4/SM_B(H→γγ)最高可达约1.8。
• 由于额外的夸克圈贡献，H→γZ的分支比也发生改变，导致γZ末态中出现独特的信号模式。
• 在高质景下，低m_H时，整体信号强度（定义为截面与分支比的乘积）在H→γγ和H→WW通道中最多增强约30%。
• 增强因子R^SM4/SM_σ(gg→H)对PDF变化不敏感，在100–600 GeV希格斯质量范围内差异低于0.2%。
• 包含高阶QCD和电弱修正对分支比比值的影响可忽略不计，表明结果对理论不确定性具有鲁棒性。