[论文解读] LHC Evidence Of A 126 GeV Higgs Boson From $H o γγ$ With Three And Four Generations

Gang Guo, Bo Ren+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）观测到的126 GeV Higgs玻色子信号是否可归因于三世代标准模型（SM3）或四代延伸模型（SM4）。研究发现，尽管由于第四代费米子的重粒子在费米子圈中产生抵消效应，导致SM4中H→γγ衰变宽度被抑制，但胶子融合产生率（约9倍增强）可予以补偿，使SM4中的γγ信号强度与SM3相近。关键结果是，当前LHC数据统计量尚不足以仅凭H→γγ区分SM3与SM4，需更多数据及额外衰变道（如H→ZZ*→4l）才能实现明确区分。

ABSTRACT

Searches for Higgs boson at the LHC have excluded standard model (SM) Higgs boson mass in the range between 127 GeV to 600 GeV. With a fourth generation, the excluded range is wider. To close the windows between 114 GeV to 127 GeV, the mode $H o γγ$ plays an important role. There are evidences that the Higgs boson mass is about 126 GeV from LHC data. $H o γγ$ can occur at one loop level in the SM. In the SM with three generations (SM3), the dominant contribution is from W boson with some cancellation from top quark in the loop. With SM4, the large mass of the fourth generation quarks and charged lepton cancel the W boson contribution significantly, the decay width is suppressed by a factorin the range of 0.25 $\sim$ 0.55 for the fourth generation mass in the range of 500 to 1000 GeV. This reduction factor makes $σ(pp o H X)Br(H o γγ)$ for SM4 comparable to that for SM3 for Higgs boson mass in the window allowed mentioned earlier. Using $H o γγ$ alone, therefore, it is difficult at present to distinguish whether the Higgs boson is from SM3 or SM4. We also comments on some other detection channels.

研究动机与目标

• 评估LHC观测到的126 GeV Higgs玻色子信号是否可由三世代标准模型（SM3）或四代延伸模型（SM4）解释。
• 评估第四代费米子（t′, b′, l′）对SM4中H→γγ衰变宽度与产生截面的影响，相较于SM3。
• 在当前LHC数据统计量下，判断H→γγ通道是否足以区分SM3与SM4。
• 探索其他衰变道（如H→ZZ*→4l）在区分SM3与SM4方面的潜力。

提出的方法

• 使用一阶圈有效场论计算SM3与SM4中部分衰变宽度Γ(H→γγ)，包含规范玻色子W与带电费米子在圈中的贡献。
• 应用一阶振幅形式化，分别使用自旋-1/2与自旋-1粒子的函数A1/2(τ)与A1(τ)，并通过系数CH(τQ)引入QCD修正。
• 评估SM4中由于W玻色子与重费米子贡献之间发生破坏性干涉，导致Γ(H→γγ)的抑制因子，当第四代费米子质量在500–1000 GeV之间时，该因子范围为0.25至0.55。
• 计算SM4中胶子融合产生截面σ(pp→H)，显示其相比SM3增强约9倍，源于重夸克圈贡献更大。
• 结合产生率与分支比效应，计算γγ信号强度比σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)，作为Higgs玻色子与第四代费米子质量的函数。
• 分析H→ZZ*→4l通道，显示SM4中信号强度相比SM3增强约5倍，尽管到ZZ*的分支比未变，但源于产生率的增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC观测到的126 GeV Higgs玻色子信号是否可由三世代标准模型（SM3）或四代延伸模型（SM4）解释？
• RQ2 在圈诱导Higgs衰变的背景下，第四代费米子的引入如何影响H→γγ衰变宽度？
• RQ3 SM4中增强的胶子融合产生率在多大程度上补偿了H→γγ衰变宽度的抑制，使得SM3与SM4中的γγ信号强度相近？
• RQ4 在当前LHC数据统计量下，仅凭H→γγ通道能否区分SM3与SM4？
• RQ5 SM4中H→ZZ*→4l的相对信号强度相较于SM3如何？该通道是否能提升对SM3与SM4的区分能力？

主要发现

• 当第四代费米子质量在500–1000 GeV之间时，SM4中部分衰变宽度Γ(H→γγ)相比SM3被抑制0.25至0.55倍，原因在于W玻色子与重费米子圈之间发生破坏性干涉。
• SM4中胶子融合产生截面σ(pp→H)相比SM3增强约9倍，原因在于重夸克圈贡献更大。
• 在Higgs质量约为126 GeV时，γγ信号强度比σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)介于1.5至2.5之间，表明两种模型中该信号的可观测性相近。
• 由于H→gg与H→bb̄衰变增强，SM4中的总宽度Γ(total)约为SM3的1.5至1.6倍，导致H→γγ的分支比降低。
• SM4中H→ZZ*→4l的信号强度相比SM3增强约5倍，原因在于相同的产生率增强，使该通道对SM4的敏感性高于H→γγ。
• 当前LHC数据统计量不足以仅凭H→γγ通道明确区分SM3与SM4，需更多数据才能实现确凿识别。