[论文解读] Multi-lepton signatures of additional scalar bosons beyond the Standard Model at the LHC

S. E. von Buddenbrock, Alan S. Cornell+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上标准模型之外两种假设标量玻色子 H 和 S 的多轻子信号。模型假设 H 通过胶子融合或顶夸克拉伸产生，衰变为 S 和 h，S 再衰变为轻子。顶-Yukawa 耦合强度的最佳拟合值为 β²g = 1.38 ± 0.22，表明在 Run 2 数据中可能存在新物理。

ABSTRACT

Following a prediction made in Refs.~\cite{vonBuddenbrock:2015ema,Kumar:2016vut,vonBuddenbrock:2016rmr}, this paper focuses on multi-lepton signatures arising from two new hypothetical scalar bosons, $H$ and $S$, at the Large Hadron Collider (LHC). These two new bosons are an extension to the Standard Model (SM) and interact with the SM Higgs boson, $h$. We consider two production modes for $H$, one being gluon fusion and the other being in association with top quarks. The $H o S h$ decay mode is considered, where leptonic final states are studied. The CP properties of $S$ are characterised by considering effective couplings derived from dimension six operators through $SWW$ vertices. The nature of the $S$ boson is considered in two separate contexts. Firstly in a simplified model, it is considered to have Higgs-like couplings. Secondly, we consider a heavy neutrino model and its interactions with the $Z, W$ and $S$ bosons. The predictions of the models are compared both to ATLAS and CMS results at $\sqrt{s} = 8$ and $13$~TeV, where appropriate. The data is interpreted using a simplified model where all the signal comes from $H o S h$, assuming $S$ to be Higgs-like, $m_H=270$~GeV and $m_S=150$~GeV. The combined result yields gives a best fit value for the parameter $β_g$ (the strength of the Yukawa coupling of $H$ to top quarks), $β_g^2=1.38\pm 0.22$. A number of regions of the phase space are suggested to the experiments for further exploration.

研究动机与目标

• 研究大型强子对撞机（LHC）上标准模型之外额外标量玻色子 H 和 S 产生的多轻子末态。
• 在简化模型中检验 H→Sh 且分支比为 100% 的情形，S 以轻子方式衰变，设定 mH=270 GeV 和 mS=150 GeV。
• 将模型预测与 √s=8 和 13 TeV 下 ATLAS 和 CMS 的数据进行比较，以约束顶-Yukawa 耦合 βg。
• 通过有效维度六级算符研究 S 的 CP 性质，并将 Higgs 类似的耦合与重中微子模型进行比较。
• 识别多轻子末态中对标准模型之外新物理最敏感的运动学区域。

提出的方法

• 在 √s=13 TeV 下模拟 H 通过胶子融合（gg→H）和顶夸克拉伸产生（pp→tH, t̄H, tt̄H）的过程。
• 假设 H→Sh 的分支比为 100%，S→ℓ⁺ℓ⁻ 或在重中微子模型中 S→Nᵢνₗ，且不发生向暗物质的隐形衰变。
• 使用有效场论中的维度六级算符建模 SWW 耦合，并研究 CP 敏感的运动学分布。
• 对双轻子、三轻子和四轻子末态进行事件级分析，重点关注不变质量、∆ϕ 和横动量分布。
• 将模型预测与 Run 1 和 Run 2 中 ATLAS 和 CMS 的双轻子不变质量数据进行拟合，以 β²g 为自由参数。
• 将信号预测与标准模型背景进行比较，并评估不同轻子末态和喷流多重性下的区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 H→Sh→4W 产生的多轻子末态是否能解释 Run 1 中观测到的 Higgs 横向动量和关联喷流活动的持续超额？
• RQ2 在胶子融合和顶夸克拉伸产生机制下，H→Sh 衰变的顶-Yukawa 耦合 β²g 的最佳拟合值是多少？
• RQ3 S 的 SWW 顶点中 CP 奇和 CP 偶耦合如何影响四轻子末态的运动学分布？
• RQ4 从信号区分能力来看，S 的 Higgs 类似耦合与重中微子模型中的耦合有何差异？
• RQ5 在多轻子末态中，哪些相空间区域对标准模型之外的新物理表现出最强的敏感性？

主要发现

• 对 ATLAS 和 CMS 数据的联合拟合得到最佳拟合值 β²g = 1.38 ± 0.22，表明新标量 H 的顶-Yukawa 耦合显著增强。
• 质量为 mS=150 GeV 的 Higgs 类似 S 模型在 OS 和 SS 通道中均能良好拟合双轻子不变质量分布，尽管 SS 通道的统计量有限。
• ∆ϕℓℓ 和双轻子系统横动量等运动学分布显示出与标准模型预期的明显偏离，尤其在三轻子和四轻子末态中。
• S WW 耦合的张量结构影响末态轻子的角分布，其中 CP 奇分量在 ∆ϕ 和 cosθ 分布中表现出独特模式。
• 三轻子通道对信号表现出强敏感性，其缺失横动量和轻子-喷流角分离存在可观测差异。
• 高喷流多重性和特定轻子对构型（如同号对）的区域表现出更高的信号背景比，提示未来实验搜索的有希望方向。