[论文解读] Introducing HiggsBounds 2.0.0

P. Bechtle, Oliver Brein+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

HiggsBounds 2.0.0 是一个模型无关的工具，通过使用预测的 Higgs 粒子质量、分支比、耦合常数和截面，对任意 Higgs 体系与 LEP 和 Tevatron 的排除限值进行测试。它通过将模型预测与来自 39/53 个 Higgs 搜索分析的观测值和预期截面限值进行比较，判断给定模型情景是否在 95% 置信水平下被排除。该工具显著扩展了之前版本的覆盖范围，能够对第四代模型、MSSM 和 Randall-Sundrum 情景等模型进行稳健的排除测试。

ABSTRACT

We introduce version 2.0.0 of the computer program HiggsBounds. The program tests neutral and charged Higgs sectors of new models against the current exclusion bounds from LEP and the Tevatron. As input, it requires a selection of model predictions, such as Higgs masses, branching ratios, effective couplings and total decay widths. The program then uses the expected and observed topological cross section limits from the Higgs searches to determine whether a given parameter scenario of a model is excluded at the 95% C.L. by those searches. Version 2.0.0 includes 39/53 LEP/Tevatron Higgs search analyses, compared to 13/36 in the previous release (1.2.0). Among the newly included analyses are LEP searches for neutral Higgs bosons (H) decaying invisibly or into hadrons, LEP searches via the production modes (tau+ tau- H) and (b b-bar H), Tevatron searches via (t t-bar H), and LEP and Tevatron searches for charged Higgs bosons. Also, all Tevatron results presented at the ICHEP'10 are included in version 2.0.0. In this talk, we explain the basic ideas behind the implementation of HiggsBounds and provide a list of search topologies implemented in version 2.0.0. Furthermore, we apply HiggsBounds 2.0.0 to (a) determine the allowed Higgs mass range for a simple 4th generation model, (b) update/reproduce LEP/Tevatron Higgs exclusion plots for the MSSM m_h-max benchmark scenario, and (c) show exclusion results for the scalar sector of the Randall-Sundrum model.

研究动机与目标

• 提供一个模型无关的工具，用于将任意 Higgs 体系与 LEP 和 Tevatron Higgs 搜索的实验排除边界进行对比。
• 扩展 HiggsBounds 中 Higgs 排除分析的覆盖范围，包括新的 LEP 和 Tevatron 搜索拓扑结构，如隐形衰变、$b\bar{b}H$、$\tau^+\tau^-H$、$t\bar{t}H$ 和带电 Higgs 搜索。
• 使研究人员能够通过将预测的信号截面与观测到的和预期的限值进行比较，判断给定模型参数情景是否在 95% 置信水平下被排除。
• 支持对基准模型（如 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 情景和 Randall-Sundrum 模型的标量 sector）的更新和可重复的排除图绘制。

提出的方法

• 该程序接收模型预测作为输入：Higgs 粒子质量、总宽度、分支比，以及相对于参考值的产生截面比值。
• 评估所有已实现的 LEP 和 Tevatron Higgs 搜索分析，以确定其是否适用于给定的模型情景。
• 对于每一项适用的分析，将模型预测的信号截面（按分支比缩放）与 95% 置信水平下的观测限值和预期限值进行比较。
• 仅当模型预测的截面在最敏感的分析中超过观测限值时，才宣布排除，以保持统计置信水平。
• 该工具可通过命令行、Fortran 子程序（77/90）和网页界面使用，确保广泛的可访问性。
• 使用蒙特卡洛模拟确定预期限值，用于评估统计灵敏度，并避免对排除声明的过度解读。

实验结果

研究问题

• RQ1 HiggsBounds 2.0.0 能否准确判断给定 Higgs 模型是否被 LEP 和 Tevatron 数据在 95% 置信水平下排除？
• RQ2 与 1.2.0 版本相比，2.0.0 版本中包含的 39/53 项新 Higgs 搜索分析如何提升灵敏度和覆盖范围？
• RQ3 HiggsBounds 2.0.0 在多大程度上能够重现或更新基准模型（如 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 情景）的现有排除图？
• RQ4 当信号截面不按 SM 方式均匀缩放时，该程序如何处理非标准模型（non-SM-like）模型？
• RQ5 HiggsBounds 2.0.0 对具有扩展 Higgs 体系的模型（如第四代模型或 Randall-Sundrum 标量体系）有何影响？

主要发现

• HiggsBounds 2.0.0 包含了 53 项 LEP 和 Tevatron Higgs 搜索分析中的 39 项，相比 1.2.0 版本的 13/36 项有显著提升，包括关键分析如 LEP 对 $H \to \text{invisible}$、$H \to b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-H$ 的搜索，以及 Tevatron 的 $t\bar{t}H$ 和带电 Higgs 搜索。
• 该程序成功重现了 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 基准情景的 LEP 排除图，与使用 FeynHiggs 2.7.1 更新预测结果的已发表研究结果高度一致。
• 对于第四代模型，HiggsBounds 2.0.0 确认了 Higgs 粒子在 130–220 GeV 范围内被 Tevatron 排除，与先前研究结果一致。
• 在 MSSM $m_h^{\text{max}}$ 情景中，HiggsBounds 2.0.0 将所有 ICHEP'10 Tevatron 结果纳入后，揭示了在 $200\,\text{GeV} < m_A < 220\,\text{GeV}$ 范围内存在排除空白，表明若 $\tau\tau$ 分析能进一步扩展，未来可能实现完整覆盖。
• 对于 Randall-Sundrum 模型（RS1），HiggsBounds 2.0.0 识别出在低质量下，$\gamma\gamma$ 和 $b\bar{b}$ 通道对轴子样态 $\varphi$ 最为敏感，而 SM 类 Higgs 粒子 $h$ 的排除区域与它的耦合特性一致。
• 该工具表明，HiggsBounds 2.0.0 能够正确识别每个模型点最敏感的分析，确保排除声明在统计上有效并满足 95% 置信水平的要求。