[论文解读] Observability of the Higgs Boson in the Presence of Extra Standard Model Families at the Tevatron

E. Arık, Ö. Çakır+2 more|ArXiv.org|Feb 5, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在存在额外标准模型（SM）世代（SM-4、SM-5、SM-6）的场景下，顶夸克对撞机中Higgs玻色子在$WW^*$衰变道中的可观测性。结果表明，由于额外费米子世代导致的Higgs产生截面增强，D0和CDF实验有可能在大型强子对撞机（LHC）之前观测到中等质量的Higgs玻色子，对于SM-4模型，在8 fb⁻¹亮度下，可探测的质量上限可达200 GeV。

ABSTRACT

The observability of the Higgs boson via the WW^* decay channel at the Tevatron is discussed taking into account the enhancements due to the possible existence of the extra standard model (SM) families. It seems that the existence of new SM families can give the Tevatron experiments (D0 and CDF) the opportunity to observe the intermediate mass Higgs boson before the LHC

研究动机与目标

• 评估在存在额外SM世代的情况下，顶夸克对撞机是否可能在大型强子对撞机（LHC）之前观测到Higgs玻色子。
• 评估额外费米子世代（SM-4、SM-5、SM-6）对Higgs玻色子产生截面和分支比的影响。
• 确定在不同亮度情景（2 fb⁻¹和8 fb⁻¹）下，具有额外世代的模型在顶夸克对撞机中可探测的Higgs质量范围。
• 分析第四代中微子质量（50 GeV或>100 GeV）对Higgs信号可观测性的影响。
• 探索通过胶子融合和单共振产生方式探测第四代夸克的间接信号的可能性。

提出的方法

• 采用味民主和民主质量矩阵方法，对扩展SM世代中的Yukawa耦合和费米子质量进行建模。
• 假设各代之间Yukawa耦合相等，推导质量矩阵并预测增强的Higgs耦合。
• 计算Higgs通过$WW^*$末态的产生截面乘以分支比，包括额外费米子世代带来的增强效应。
• 基于理论预测和预期的顶夸克对撞机亮度，使用95%置信水平（C.L.）排除限进行统计分析。
• 将理论预测与积分亮度为2 fb⁻¹和8 fb⁻¹的实验排除限进行比较。
• 考虑两种中微子质量情景：$m_\nu \approx 50$ GeV和$m_\nu > 100$ GeV，以评估灵敏度变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在额外SM世代的情况下，顶夸克对撞机是否可能在大型强子对撞机（LHC）之前观测到Higgs玻色子？
• RQ2 额外SM世代如何影响$WW^*$衰变道中Higgs玻色子的产生截面？
• RQ3 在2 fb⁻¹和8 fb⁻¹亮度下，SM-4、SM-5和SM-6模型在顶夸克对撞机中可探测的Higgs质量上限是多少？
• RQ4 第四代中微子质量如何影响Higgs玻色子的可观测性？
• RQ5 顶夸克对撞机能否通过增强的胶子融合或单共振产生方式探测到第四代夸克的信号？

主要发现

• 在8 fb⁻¹积分亮度下，顶夸克对撞机可对140 GeV < $m_H$ < 200 GeV范围内的Higgs质量排除或验证SM-4模型。
• 对于SM-5且$m_\nu \approx 50$ GeV的情况，顶夸克对撞机在8 fb⁻¹下可探测高于150 GeV的Higgs质量，在2 fb⁻¹下可探测高于155 GeV的Higgs质量。
• SM-6*模型（$m_\nu \approx 50$ GeV）在165 GeV至185 GeV的Higgs质量范围内，于95% C.L. 被排除。
• 在2 fb⁻¹亮度下，顶夸克对撞机可对SM-4（中微子不稳定）在150 GeV至180 GeV的$m_H$范围内实现排除或验证。
• 若第四SM世代存在，大型强子对撞机（LHC）预计可通过黄金道$H \to ZZ \to \ell\ell\ell\ell$覆盖全部Higgs质量范围。
• 在存在第四SM世代的情况下，通过胶子融合产生的Higgs截面可增强至约8倍。