[论文解读] Resonant Higgs boson pair production in the $hh ightarrow b\bar{b} \; WW ightarrow b\bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel

Víctor Martín Lozano, J. M. Moreno+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文研究了在14 TeV LHC下，通过一个重标量单重态，通过 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 衰变道实现共振Higgs玻色子对的产生。利用如 $M_{\rm T2}$ 和不可见动量的壳上重建等运动学变量，作者表明，若混合接近当前实验极限且 $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$，在3000 fb$^{-1}$ 亮度下，对于 $m_H = 260$–400 GeV 的质量范围，可实现约3$\sigma$ 的显著性。该衰变道与重Higgs玻色子的4$b$末态具有互补性。

ABSTRACT

Adding a scalar singlet provides one of the simplest extensions of the Standard Model. In this work we briefly review the latest constraints on the mass and mixing of the new Higgs boson and study its production and decay at the LHC. We mainly focus on double Higgs production in the $hh ightarrow b \bar{b} WW ightarrow b \bar{b} \ell^+ ν\ell^- \barν$ decay channel. This decay is found to be efficient in a region of masses of the heavy Higgs boson of 260 - 500 GeV, so it is complementary to the 4$b$ channel, more efficient for Higgs bosons having masses greater than 500 GeV. We analyse this di-leptonic decay channel in detail using kinematic variables such as $M_{ m T2}$ and the $M_{ m T2}$-assisted on-shell reconstruction of invisible momenta. Using proper cuts, a significance of $\sim$ 3$σ$ for 3000 fb$^{-1}$ can be achieved at the 14 TeV LHC for $m_H$ = 260 - 400 GeV if the mixing is close to its present limit and ${ m BR}(H ightarrow hh) \approx 1$. Smaller mixing values would require combining various decay channels in order to reach a similar significance. The complementarity among $ H ightarrow hh$, $ H ightarrow ZZ$ and $ H ightarrow WW$ channels is studied for arbitrary ${ m BR}(H ightarrow hh)$ values.

研究动机与目标

• 研究在14 TeV LHC下的共振双Higgs产生过程，衰变道为 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$。
• 评估该双轻子末态对探测衰变为两个Higgs玻色子的重标量单重态的灵敏度。
• 评估该衰变道与 $H \to ZZ$ 和 $H \to WW$ 衰变模式在任意分支比下的互补性。
• 通过运动学变量如 $M_{\rm T2}$ 和不可见中微子动量的壳上重建，优化信号与背景的分离。

提出的方法

• 该研究采用标准模型的标量单重态扩展，其中重Higgs玻色子 $H$ 与标准模型Higgs混合，并衰变为 $hh$。
• 利用 $M_{\rm T2}$ 和不可见中微子动量的 $M_{\rm T2}$ 辅助壳上重建，对 $hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 衰变链进行完整事件重建。
• 施加运动学约束以确保动量守恒和横向动量平衡，使用关系式 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T} + \mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T} + \mathbf{u}_{\rm T} = \mathbf{0}$。
• 将 $M_{\rm T2}$ 变量用作关键判别器，其最大值受 $\min\{m_W, m_h/2\}$ 限制，且通过 $\delta\mathbf{u}_{\rm T}$ 对横向提升进行修正。
• 在假设 $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$ 且混合接近当前实验极限的前提下，使用真实物理截断和3000 fb$^{-1}$ 亮度评估信号显著性。
• 分析了 $H \to hh$、$H \to ZZ$ 和 $H \to WW$ 衰变模式在不同分支比下的互补性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在14 TeV LHC下，$hh \to b\bar{b}WW \to b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 衰变道能否为共振Higgs对产生提供可行的信号？
• RQ2 在3000 fb$^{-1}$ 亮度下，该末态中探测衰变为两个Higgs玻色子的重标量单重态可实现的显著性是多少？
• RQ3 $M_{\rm T2}$ 和不可见动量的壳上重建在该衰变道中增强信背比的效率如何？
• RQ4 该衰变道对不同Higgs玻色子质量的灵敏度与4$b$末态相比如何？
• RQ5 对于任意分支比，$H \to hh$、$H \to ZZ$ 和 $H \to WW$ 衰变模式之间如何相互作用并体现互补性？

主要发现

• 若混合接近当前实验极限且 $\text{BR}(H \to hh) \approx 1$，在14 TeV LHC下，3000 fb$^{-1}$ 亮度时，对 $m_H = 260$–400 GeV 的质量范围，可实现约3$\sigma$ 的显著性。
• $b\bar{b}\ell^+\nu\ell^-\bar{\nu}$ 衰变道在 $m_H = 260$–500 GeV 的重Higgs玻色子质量范围内最为高效，使其与更适用于 $m_H > 500$ GeV 的4$b$末态形成互补。
• $M_{\rm T2}$ 变量及其壳上重建技术能有效抑制背景并增强信号灵敏度，尤其在结合适当运动学截断时效果更佳。
• $M_{\rm T2}$ 的最大值受 $\min\{m_W, m_h/2\}$ 限制，当满足横向动量平衡条件 $\mathbf{p}_{\rm T} + \mathbf{k}_{\rm T}^\text{maos} = - (\mathbf{q}_{\rm T} + \mathbf{l}_{\rm T}^\text{maos})$ 时，可达到 $M_{\rm T2} = m_h/2$。
• 较小的混合值会降低信号显著性，需与其他衰变道组合才能达到相似的灵敏度水平。
• 本研究证实，$H \to hh$、$H \to ZZ$ 和 $H \to WW$ 衰变道在广泛分支比范围内具有互补性，从而提升整体发现潜力。