[论文解读] Ruling out a 4th generation using limits on hadron collider Higgs signals

John F. Gunion|arXiv (Cornell University)|May 19, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文表明，若希格斯玻色子为标准模型类似且质量低于200 GeV，则顶夸克和底夸克衰变道中未观测到增强的双光子和WW/ZZ衰变信号，可排除第四代费米子的存在。分析显示，观测到的信号率限制——特别是第四代模型中 $ R_{WW} \geq 6.5 $——与实验数据矛盾，使得该情形与当前对撞机约束不一致。

ABSTRACT

We consider the impact of a 4th generation on Higgs to $γγ$ and $WW,ZZ$ signals and demonstrate that the Tevatron and LHC have essentially eliminated the possibility of a 4th generation if the Higgs is SM-like and has mass below 200 GeV. We also show that the absence of enhanced Higgs signals in current data sets in the $γγ$ and $WW,ZZ$ final states can strongly constrain the possibility of a 4th generation in two-Higgs-doublet models of type II, including the MSSM.

研究动机与目标

• 评估在标准模型及双 Higgs 双重态模型（2HDM）中，包括MSSM在内，第四代费米子存在的可行性。
• 评估当前LHC与Tevatron关于希格斯玻色子衰变至 $\gamma\gamma$ 和 $WW/ZZ$ 的数据，对第四代存在的约束。
• 确定在这些衰变道中未观测到信号增强是否可排除第四代或顺序 $W^\prime$ 玻色子的存在。
• 检验 $R_{\gamma\gamma}$ 和 $R_{WW}$ 作为新物理探针的鲁棒性，特别是在扩展的希格斯结构中。
• 基于 $L \sim 131~\text{pb}^{-1}$ 的数据观测到的信号率限制，提供对第四代参数空间的定量约束。

提出的方法

• 定义信号率比值 $ R_X^h = [\Gamma_{gg}^h \cdot BR(h \to X)] / [\Gamma_{gg}^{h_{\text{SM}}} \cdot BR(h_{\text{SM}} \to X)] $，比较观测值与标准模型预测值。
• 使用有效场论和圈图计算方法，计算希格斯耦合和衰变率，包括第四代费米子和 $W^\prime$ 玻色子的贡献。
• 使用HDECAY 3.60软件包，结合扩展的软对称性破缺参数，计算MSSM中包含第四代时的希格斯质量与分支比。
• 分析第四代费米子和超费米子对 $\Gamma_{gg}^{h,A}$、$BR(h,A \to \gamma\gamma)$ 和 $BR(h \to WW)$ 的影响，假设超对称粒子质量较重。
• 将理论预测的 $R_{\gamma\gamma}^{h,A}$ 和 $R_{WW}^{h}$ 与ATLAS及CDF/D0在95%置信水平下的实验限制进行比较。
• 评估 $R_{\gamma\gamma}^{A}$ 和 $R_{WW}^{h}$ 对 $W^\prime$ 和SUSY贡献的鲁棒性，注意 $W^\prime$ 在树图层次不与 $A$ 耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\gamma\gamma$ 和 $WW/ZZ$ 衰变道中未观测到增强的希格斯信号，是否可排除第四代费米子的存在？
• RQ2 在存在第四代的情况下，SM类似希格斯玻色子的预测信号率增强 $R_{\gamma\gamma}$ 和 $R_{WW}$ 是多少？
• RQ3 当前对 $R_{\gamma\gamma}$ 和 $R_{WW}$ 的实验限制，如何约束包含第四代和非标准 $\tan\beta$ 值的MSSM？
• RQ4 $R_{\gamma\gamma}^{A}$ 和 $R_{WW}^{h}$ 在MSSM中作为第四代探针的鲁棒性如何，是否独立于 $W^\prime$ 或SUSY效应？
• RQ5 未来LHC在更高亮度下，是否可通过 $R_{\gamma\gamma}$ 和 $R_{WW}$ 测量排除第四代情形？

主要发现

• 对于质量低于200 GeV的标准模型类似希格斯玻色子，第四代模型预测的 $R_{WW} \geq 6.5$ 与Tevatron在 $m_h \in [110,200]$ GeV范围内的95%置信水平上限 $R_{WW} \leq 0.64$ 矛盾，从而排除第四代。
• 由于希格斯总宽度较大，$\gamma\gamma$ 衰变道的结论不够明确，但第四代模型中 $m_h \leq 130$ GeV 时 $R_{\gamma\gamma} \sim 4$，与当前数据不一致。
• 在MSSM中，当 $m_A < 2m_W$ 时，$R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 6.5$；当 $m_A > 2m_W$ 时，$R_{\gamma\gamma}^{A} \geq 100$，而这两者在 $m_A \lesssim 150$ GeV 时已被当前数据排除。
• 对于 $m_A \geq 200$ GeV，MSSM中第四代模型预测的 $R_{WW}^{h} \geq 2.4$，该值将在LHC足够亮度下可被检验。
• $W^\prime$ 玻色子对 $R_{\gamma\gamma}^{A}$ 几乎无影响，仅对 $R_{WW}^{h}$ 有微小影响，使得这些可观测量成为第四代的稳健探针。
• 若未观测到希格斯玻色子，$R_{\gamma\gamma}^{A}$ 和 $R_{WW}^{h}$ 仍可作为强大工具，排除MSSM中的第四代，即使未直接探测到新粒子。