[论文解读] Prospect for observing a light charged Higgs through the decay $H^+ o c \bar{b} + c.c.$ at the LHeC

J. Hernández-Sánchez, O. Flores-Sánchez+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文研究了在未来大型强子电子对撞机（LHeC）上，通过两希格斯双重态模型类型III（2HDM-III）发现轻量级带电希格斯玻色子（$H^\pm$）的潜力。通过在Yukawa矩阵中采用四零纹理以抑制味改变中性流，研究聚焦于衰变 $H^\pm \to c\bar{b} + \text{c.c.}$，结果表明，在100 fb$^{-1}$亮度下，当 $m_{H^\pm} = 110$ GeV 且 $c\bar{b}$ 衰变分支比接近100%时，基准情景下可实现3–4$\sigma$的显著性。

ABSTRACT

We study the production and decay of a light charged Higgs boson at the future Large Hadron electron Collider (LHeC) in the framework of the Two Higgs Doublet Type III, assuming a four-zero texture in the Yukawa matrices and a general Higgs potential. We analyze the charge current production processes $e^- p o ν_e q H^+ $ considering the signature $H^+ o c \bar{b} + c.c.$ of the final state. We take this signature and we compare it to the irreducible background from Standard Model (SM) interactions. We consider scenarios of the model which are consistent with current experimental data from Higgs and flavor physics.

研究动机与目标

• 评估在LHeC上2HDM-III框架下发现轻量级带电希格斯玻色子的潜力。
• 在Yukawa矩阵中采用四零纹理以抑制味改变中性流的背景下，评估信号衰变模式 $H^+ \to c\bar{b} + \text{c.c.}$。
• 将信号截面与分支比与不可约的Standard Model背景（特别是 $\nu t\bar{b}$ 和 $e^- b\bar{b}j$ 过程）进行比较。
• 识别与当前希格斯玻色子及味物理约束一致、并最大化对 $H^+ \to c\bar{b}$ 衰变模式敏感度的基准情景。

提出的方法

• 本研究采用在Yukawa矩阵中引入四零纹理的两希格斯双重态模型类型III（2HDM-III），以在不依赖 $Z_2$ 对称性的情况下控制味改变中性流。
• Higgs势能由实参数构建，包含所有可能的四次耦合项，真空期望值假设为实数，以避免CP破坏。
• Yukawa拉格朗日量通过具有四个零元的厄米特Yukawa矩阵推导得出，从而产生特定的费米子耦合，使 $H^+ \to c\bar{b}$ 衰变速率增强。
• 使用CalcHEP计算部分子层次的信号截面与分支比，基准情景中假设 $H^+ \to c\bar{b}$ 占主导。
• 应用预选切割条件：$p_T^q > 15$ GeV 且 $\Delta R(q,q) > 0.4$，以分离具有两个喷注、一个b喷注标记及缺失横向动量的信号拓扑结构。
• 背景估计基于 $\nu t\bar{b}$、$\nu b\bar{b}j$、$e^- b\bar{b}j$ 和 $e^- t\bar{t}j$ 过程，b喷注标记效率 $\epsilon_b = 0.5$，c夸克标记效率 $\epsilon_c = 0.1$，轻味喷注效率 $\epsilon_j = 0.01$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2HDM-III框架下，质量为 $m_{H^\pm} = 110$ GeV 的轻量级带电希格斯玻色子是否可通过 $H^+ \to c\bar{b} + \text{c.c.}$ 衰变模式在LHeC上被观测到？
• RQ2 在100 fb$^{-1}$亮度下，$H^+ \to c\bar{b}$ 信号相对于不可约Standard Model背景的显著性如何？
• RQ3 具有四零Yukawa纹理及增强 $c\bar{b}$ 衰变分支比的基准情景如何影响带电希格斯玻色子的可探测性？
• RQ4 从味物理与希格斯玻色子数据中，对2HDM-III中此类带电希格斯玻色子的可行参数空间有何约束？

主要发现

• 对于 $m_{H^\pm} = 110$ GeV 且 $BR(H^+ \to c\bar{b} + \text{c.c.}) \approx 0.99$ 的基准情景，信号截面乘以分支比最高可达99.80 fb，表明具有很高的产生率。
• 在100 fb$^{-1}$积分亮度下，经b喷注标记与误标记效率修正后，情景Ia与Ib的信号显著性达到3.9–4.0$\sigma$，情景IIa与Ya的显著性为3.7–3.0$\sigma$。
• 主要不可约背景估计为3835.1起事件（100 fb$^{-1}$），主要来自 $\nu t\bar{b}$ 和 $e^- b\bar{b}j$ 过程。
• 在多个基准点中，信号显著性表现稳健，显著性最高的情景出现在 $c\bar{b}$ 分支比被最大化时。
• 在LHeC运行结束时（1000 fb$^{-1}$亮度），此类带电希格斯玻色子的探测将具有确定性，有利情况下显著性将超过10$\sigma$。
• 本研究证实，具有四零Yukawa纹理的2HDM-III可实现轻量级带电希格斯玻色子，其主导衰变为 $c\bar{b}$，且与当前希格斯玻色子及味物理实验约束一致。