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

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 75被引用 7

一句话总结

本文研究了在单重态扩展标准模型框架下，通过一个重希格斯玻色子衰变为两个希格斯玻色子（H → hh）的共振希格斯玻色子对产生过程，其中一者衰变为bb̄，另一者衰变为WW → ℓ⁺νℓ⁻ν̄。利用MT2和壳模型重建技术，研究表明在14 TeV LHC上，若混合角为最大值且BR(H → hh) ≈ 1，对于mH ≈ 260–400 GeV，可实现3σ显著性，凸显了该双轻子道作为重希格斯玻色子搜索中4b道的互补通道。

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 $hh \ ightarrow b \\bar{b} WW \ ightarrow b \\bar{b} \\ell^+ \ u \\ell^- \\bar{\ u}$ 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$\\sigma$ 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

• 研究在单重态扩展标准模型中，通过一个重希格斯玻色子（H）衰变为两个希格斯玻色子（H → hh）的共振希格斯玻色子对产生过程。
• 评估在14 TeV LHC上，双轻子衰变道hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄的发现潜力。
• 评估H → hh、H → ZZ和H → WW衰变道在任意BR(H → hh)下的互补性。
• 研究当模型扩展以包含暗物质候选者时的可行性，重点关注直接探测和遗迹密度约束。

提出的方法

• 采用一个实标量单重态与标准模型希格斯玻色子通过混合角α混合的单重态扩展标准模型。
• 应用MT2变量和MT2辅助的壳模型重建技术，以估算双轻子道WW衰变中不可见中微子的动量。
• 实施选择性截断和基于MT2的截断，以抑制主要的t̄t背景并提高信号显著性。
• 对信号和背景过程进行详细的蒙特卡罗模拟，包括初态辐射（ISR）喷注。
• 利用双轻子系统的不变质量和重建的希格斯玻色子质量，从背景中分离出信号。
• 使用统计方法评估在14 TeV质心系能量下3000 fb⁻¹亮度下的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在260–500 GeV的希格斯玻色子质量范围内，双轻子衰变道hh → bb̄WW → bb̄ℓ⁺νℓ⁻ν̄能否作为共振希格斯对产生的一种可行发现道？
• RQ2 在14 TeV LHC上，使用3000 fb⁻¹亮度时，H → hh共振在双轻子道中可实现的显著性是多少？
• RQ3 信号显著性如何依赖于希格斯玻色子混合角和BR(H → hh)？
• RQ4 在不同BR(H → hh)值下，H → hh、H → ZZ和H → WW衰变道之间有何互补性？
• RQ5 该模型能否扩展以包含一个暗物质候选者，而不与当前实验约束冲突？

主要发现

• 若混合角接近当前实验极限且BR(H → hh) ≈ 1，在14 TeV LHC上使用3000 fb⁻¹时，对于mH = 260–400 GeV，可实现约3σ的显著性。
• 对于较小的混合角或较低的BR(H → hh)，仅靠双轻子道不足以实现显著性；需结合多个衰变道才能达到类似显著性。
• 双轻子道在mH = 260–500 GeV范围内最为高效，作为4b道的互补探测手段，后者在mH > 500 GeV时更为灵敏。
• MT2变量结合不可见动量的壳模型重建，显著提升了双轻子末态中的信号与背景比。
• 当模型扩展以包含暗物质候选者时，该模型依然可行，下一代直接探测实验有望探测到参数空间的大部分区域。
• MT2的上限受min{mW, mh/2}约束，且当通过壳模型假设重建不可见动量时，MT2达到最大值，验证了在此拓扑中使用MT2的合理性。