[论文解读] Prospects for direct searches for light Higgs bosons at the ILC with 250 GeV

P. Drechsel, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文评估了在国际线性对撞机（ILC）以 √s = 250 GeV 运行时，通过 $\phi \to b\bar{b}$ 衰变模式和一种与衰变模式无关的反冲技术，直接探测轻希格斯玻色子的前景。在 500 fb⁻¹ 亮度和极化束流条件下，ILC 对弱耦合至规范玻色子的轻希格斯玻色子的探测灵敏度相比 LEP 提升了超过一个数量级，甚至超越了 HL-LHC 的间接探测灵敏度。

ABSTRACT

The particle discovered in the Higgs boson searches at the LHC with a mass of about 125 GeV is compatible within the present uncertainties with the Higgs boson predicted in the Standard Model (SM), but it could also be identified with one of the neutral Higgs bosons in a variety of Beyond the SM (BSM) theories with an extended Higgs sector. The possibility that an additional Higgs boson (or even more than one) could be lighter than the state that has been detected at 125 GeV occurs generically in many BSM models and has some support from slight excesses that were observed above the background expectations in Higgs searches at LEP and at the LHC. The couplings between additional Higgs fields and the electroweak gauge bosons in BSM theories could be probed by model-independent Higgs searches at lepton colliders. We present a generator-level extrapolation of the limits obtained at LEP to the case of a future $e^+e^-$ collider, both for the search where the light Higgs boson decays into a pair of bottom quarks and for the decay-mode-independent search utilising the recoil method. We find that at the ILC with a c.m. energy of 250 GeV, an integrated luminosity of 500 fb^{-1} and polarised beams, the sensitivity to a light Higgs boson with reduced couplings to gauge bosons is improved by more than an order of magnitude compared to the LEP limits and goes much beyond the projected indirect sensitivity of the HL-LHC with 3000 fb^{-1} from the rate measurements of the detected state at 125 GeV.

研究动机与目标

• 评估在 ILC 上对扩展希格斯结构的 BSM 理论中轻希格斯玻色子的直接搜寻灵敏度。
• 解决轻希格斯玻色子与 $W/Z$ 玻色子耦合较弱时可能在 LEP 和 LHC 中被遗漏的问题。
• 证明 ILC 的洁净环境、极化束流和高亮度使得其对轻希格斯玻色子的探测灵敏度优于 HL-LHC 的间接探测。
• 通过生成器级模拟，验证并外推 LEP 限制至 ILC，涵盖 $\phi \to b\bar{b}$ 和反冲搜寻策略两种方法。

提出的方法

• 通过与 LEP 相同的分析技术，对 LEP 限制进行生成器级外推，以估算 ILC 的探测灵敏度。
• 研究采用两种搜寻策略：(1) $\phi \to b\bar{b}$ 衰变模式和 (2) 与衰变模式无关的反冲方法，两者均基于希格斯辐射过程 $e^+e^- \to Z\phi$。
• 从 LEP 数据中推导出归一化因子 $c_{\rm bb}$ 和 $c_{\rm recoil}$，以在 ILC 外推中考虑信号效率和探测器效应。
• ILC 条件建模为 √s = 250 GeV，$P_{e^-} = -80\%$，$P_{e^+} = +30\%$，积分亮度为 500 fb⁻¹，作为保守估计。
• 通过重现已知的 LEP 限制（针对 $\phi \to b\bar{b}$ 和反冲搜寻），验证了该方法的有效性。
• 使用和规则 $\sum_i (g_{\phi_i VV})^2 = (g^{\rm SM}_{HVV})^2$ 来支持对额外希格斯玻色子耦合被抑制的预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 250 GeV 的 ILC 上，是否能显著提升对弱耦合至规范玻色子的轻希格斯玻色子的探测灵敏度，相比 LEP？
• RQ2 ILC 的直接搜寻灵敏度与 HL-LHC 希格斯玻色子衰变率测量的间接灵敏度相比如何，针对轻希格斯玻色子？
• RQ3 ILC 上的反冲方法在多大程度上可以独立于其衰变模式探测轻希格斯玻色子，特别是在分支比未知的情况下？
• RQ4 ILC 的极化束流和高精度环境是否能增强对轻希格斯玻色子的发现能力，超越强子对撞机的探测能力？
• RQ5 ILC 的直接搜寻灵敏度是否超过 HL-LHC 对 125 GeV 希格斯玻色子的精确测量所获得的间接灵敏度？

主要发现

• 在 √s = 250 GeV、500 fb⁻¹ 亮度和极化束流条件下，ILC 对弱耦合至规范玻色子的轻希格斯玻色子的探测灵敏度相比 LEP 限制提升了超过一个数量级。
• 即使在 HL-LHC 投影的最终亮度 3000 fb⁻¹ 条件下，ILC 的直接搜寻能力仍超越其间接灵敏度。
• ILC 的 $\phi \to b\bar{b}$ 衰变模式搜寻灵敏度超过 ILC 自身对 125 GeV 希格斯玻色子与 $Z$ 玻色子耦合的精确测量所获得的间接灵敏度。
• ILC 上基于反冲的搜寻方法实现了与间接 ILC 灵敏度相当的探测能力，为识别潜在过量信号的本质提供了互补信息。
• 该方法成功重现了 LEP 对 $\phi \to b\bar{b}$ 和反冲搜寻的已知限制，验证了向 ILC 外推方法的可靠性。
• 在 60–100 GeV 质量范围内，ILC 的直接搜寻灵敏度预计可探测到 NMSSM、N2HDM 和含轻希格斯单重态的 2HDM 等理论模型所青睐的参数区域。