[论文解读] Probing extra dimensions through the invisible Higgs decay

Daniele Dominici|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2005

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 7被引用 4

一句话总结

该论文提出，在大型额外维度（ADD）模型中，希格斯 boson 的隐形衰变可通过 LHC 和未来直线对撞机（LC）探测，其中希格斯 boson 与引力标量 K-K 模式混合。关键结果表明，尽管仅靠 LHC 无法精确确定模型参数，但结合 LHC 与 LC 的数据——尤其是来自隐形希格斯衰变和 γ + E_T 最终态的数据——可精确测定 δ、M_D 和 ξ，尤其在轻希格斯玻色子和适中 M_D 值的情况下。

ABSTRACT

In the large extra dimension model of Arkani-Hamed, Dimopoulos and Dvali the presence of an interaction between the Ricci scalar curvature and the Higgs doublet of the Standard Model makes a light Higgs boson observable at LHC at the 5 sigma level through the fusion process pp-> W*W* +X -> Higgs, graviscalars +X -> invisible+X for the portion of the Higgs-graviscalar mixing (xi) and effective Planck mass (M_D) parameter space where channels relying on visible Higgs decays fail to achieve a 5 sigma signal. However even if the LHC has a good chance of seeing a signal, it will not be able to determine the parameters of the model with any real precision. This goal can be reached by adding the following LC measurements: gamma+missing E_T, Higgs production and decay in the visible SM-like final states and in the invisible final state.

研究动机与目标

• 研究当标准模型衰变道未能达到 5σ 显著性时，是否可在 LHC 上探测 ADD 模型中的隐形希格斯衰变。
• 评估仅使用 LHC 测量在确定 ADD 模型参数（特别是 ξ（希格斯-引力标量耦合）和 M_D（有效普朗克质量））方面的局限性。
• 证明将 LHC 数据与未来 e+e− 直线对撞机（LC）的精密测量相结合，可显著改善参数确定。
• 评估不同最终态（可见希格斯衰变、隐形衰变和 γ + E_T）在不同希格斯质量与模型参数下的敏感性。
• 量化结合 LHC 与 LC 数据后参数分辨率的提升，特别是对引力标量混合参数 ξ 和额外维度数 δ 的影响。

提出的方法

• 通过作用量中的非最小耦合项建模希格斯-引力标量混合：S = -ξ ∫ d⁴x √g_ind R(g_ind) H†H。
• 推导混合拉格朗日量 ℒ_mix = ε h ∑_{n>0} s_n，其中 ε ∝ ξ v m_h² √[(3(δ-1))/(δ+2)] / M_P，s_n 为引力标量 K-K 模式。
• 计算有效希格斯到隐形态的宽度：Γ_h→gravisc. ∝ ξ² v² m_h^{1+δ} / M_D^{2+δ}，其中 M_D 与 D 维普朗克标度相关。
• 通过物理态相干振幅求和，计算 WW → h′ + ∑ s′_m → F 的截面，得到修正的 SM 截面，按 [Γ_h / (Γ_h + Γ_h→gravisc.)] 缩放。
• 通过计算可见与隐形通道中信号率的 Δχ²，结合背景估计与亮度缩放，整合 LHC 与 LC 数据。
• 采用 TESLA 研究结果估算 LC 上 γ + E_T 信号，背景截面来自 √s = 500–1000 GeV 下的 KK 与 nunugpv 模拟，考虑束流极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 当标准模型衰变道未能达到 5σ 显著性时，是否可在 LHC 上探测 ADD 模型中的隐形希格斯衰变？
• RQ2 LHC 单独在多大程度上能确定 ADD 模型中的参数 ξ、M_D 和 δ？
• RQ3 与仅使用 LHC 数据相比，增加来自未来直线对撞机的精密测量如何改善 ADD 模型参数的确定？
• RQ4 γ + E_T 最终态在约束希格斯-引力标量混合参数 ξ 方面起什么作用？
• RQ5 参数确定的精度如何依赖于希格斯质量、M_D 和隐形分支比？

主要发现

• 对于轻希格斯玻色子（m_h = 120 GeV），当 M_D ≈ 1 TeV 且 ξ = 0.85 时，隐形分支比可达 0.85，可通过隐形衰变探测。
• 当 M_D > 2 TeV 时，LHC 单独在确定 δ 和 M_D 方面能力有限，这是由于参数空间中信号率存在退化。
• 加入 LC 数据——特别是来自隐形希格斯衰变和 γ + E_T 最终态的数据——可精确确定 δ 和 M_D，尤其在 M_D ≤ 2 TeV 时。
• 即使加入 LC 数据，混合参数 ξ 的确定仍具挑战性，除非隐形分支比较大（例如 M_D = 2 TeV，ξ = 0.5），此时可见衰变道被抑制且对 ξ 变化敏感。
• 降低 LHC 和 LC 的亮度仅中度降低精度；即使在较低亮度下，LHC+LC 联合分析仍保持稳健。
• 当结合 LHC 与 LC 数据时，95% 置信水平的排除区域显著缩小，深灰色（蓝色）区域较 LHC 单独分析的浅灰色（黄色）区域更小，表明参数分辨率得到改善。