[论文解读] Projections for Two Higgs Doublet Models at the LHC and ILC: A Snowmass White Paper

Chien-Yi Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本Snowmass白皮书利用当前及未来的Higgs信号强度测量与重希格斯玻色子搜索，预测了LHC与ILC在两种希格斯双重态模型（2HDMs）中的灵敏度。结果表明，LHC与ILC数据——尤其是300 fb⁻¹与3000 fb⁻¹亮度下的数据——具有互补性：ILC在250–1000 GeV能量下能对大tanβ区域施加更紧的约束，而LHC的重希格斯玻色子搜索则显著限制了低tanβ参数空间。

ABSTRACT

The discovery of the 125 GeV Higgs boson and the measurement of its branching ratios has initiated the exploration of the electroweak symmetry breaking sector. There have been numerous studies exploring the restrictions these results place on the parameter space of two Higgs doublet models. We extend these results to include the full data set and study the expected sensitivity that can be obtained with 300 and 3000 inverse femtobarn of integrated luminosity. In addition, searches for a heavy Standard Model Higgs boson are also considered. It is shown that the nonobservation of such a Higgs boson can substantially narrow the allowed regions of parameter space in two Higgs doublet models. Finally, projections for the ILC at the center of mass energy 250, 500, and 1000 GeV are investigated.

研究动机与目标

• 通过当前及预期的LHC数据（积分亮度为300 fb⁻¹与3000 fb⁻¹）评估对两种希格斯双重态模型（2HDM）参数空间的约束。
• 评估国际线性对撞机（ILC）在√s = 250、500和1000 GeV能量下对2HDM的灵敏度，尤其关注Higgs耦合与重希格斯玻色子搜索的背景。
• 研究LHC与ILC在探测2HDM参数空间方面的互补性，特别是在单个实验灵敏度较弱的区域。
• 考察LHC未观测到标准模型类似重希格斯玻色子时，如何显著缩小2HDM允许的参数区域。
• 基于信号强度测量与耦合模式，对四种2HDM类型（I、II、轻子特定型、翻转型）进行全面的约束比较。

提出的方法

• 对ATLAS、CMS与Tevatron测得的Higgs信号强度进行χ²拟合，假设标准模型预测正确，并将误差按1/√N随亮度缩放。
• 以标准模型Higgs耦合为参考，通过cos(β−α)与tanβ参数化偏差，并对每种2HDM类型应用表1与表2中的耦合模式。
• 通过将当前实验不确定度按√(亮度)缩放，预测LHC在300 fb⁻¹与3000 fb⁻¹下的灵敏度，遵循CMS高亮度投影中的“方案2”方法。
• 预测ILC在√s = 250、500与1000 GeV下的灵敏度，重点关注Higgs耦合的精密测量与重希格斯玻色子的发现潜力。
• 将LHC的标准模型Higgs玻色子搜索重新解释为在2HDM中对重希格斯玻色子的搜索，特别针对M_H = 200 GeV的情形，以评估对参数空间的约束。
• 利用LHC与ILC联合投影的95%置信水平等高线，分析每种2HDM类型在(cos(β−α), tanβ)平面上的允许参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 与当前数据相比，LHC预期300 fb⁻¹与3000 fb⁻¹亮度的投影如何改善对2HDM参数空间的约束？
• RQ2 ILC在250、500与1000 GeV能量下对不同2HDM类型的灵敏度如何？与LHC的约束相比有何差异？
• RQ3 LHC的重希格斯玻色子搜索如何影响2HDM中的允许参数空间，特别是在低tanβ区域？
• RQ4 在(cos(β−α), tanβ)平面的哪些区域，LHC与ILC提供了互补的约束？
• RQ5 四种2HDM类型（I、II、轻子特定型、翻转型）的约束有何不同，特别是在大tanβ与小tanβ区域？

主要发现

• 对于具有200 GeV重希格斯玻色子的类型-I 2HDM，若包含重希格斯玻色子搜索约束，其允许参数空间相比仅依赖信号强度测量时缩小了两倍以上。
• 在低tanβ（tanβ < 4）区域，LHC重希格斯玻色子搜索的约束最为严格，而LHC与ILC的耦合测量在此区域的约束效果较弱。
• 在大tanβ区域，ILC在250 GeV（ILC2）与1000 GeV（ILC3）的投影提供了比LHC轻希格斯玻色子测量更紧的约束，尤其在类型-I与轻子特定模型中表现显著。
• 在类型-II与翻转模型中，底夸克耦合g_hbb = sinα/cosβ随√(1 + tan²β)变化，导致大tanβ区域的约束增强，因此这两类模型受到相似程度的约束。
• 类型-II与翻转模型在(cos(β−α), tanβ)平面上的允许区域集中在cos(β−α) = 1附近，且随着tanβ增大，由于底夸克耦合约束增强，该区域显著缩小。
• ILC在1000 GeV能量下（ILC3）在大tanβ区域提供了最严格的限制，尤其在类型-I与轻子特定模型中，凸显了高能精密测量的重要性。