[论文解读] Search for Charged Higgs bosons via decays to $W^\pm$ and a 125 GeV Higgs at the Large Hadron Collider

Rikard Enberg, William Klemm+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 4

一句话总结

本论文研究了在√s = 14 TeV质子-质子碰撞下，大型强子对撞机（LHC）中带电希格斯玻色子（H±）衰变为W玻色子与125 GeV希格斯玻色子（Hobs）的发现潜力。通过分析衰变链pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν，结合运动学重建与顶夸克抑制技术，研究结果表明，H± → W±Hobs通道对两希格斯双重模型（2HDMs），特别是A2HDM，具有显著发现能力，即使在严格的CMS希格斯信号强度约束下，300 fb⁻¹亮度下亦可实现发现，且在3000 fb⁻¹下灵敏度进一步增强。

ABSTRACT

The recent observation of a 125 GeV neutral Higgs boson ($H_{ m obs}$) provides additional input for charged Higgs boson searches in the $H^\pm o W^\pm H_{ m obs}$ decay channel at the Large Hadron Collider (LHC). We reassess the discovery potential in this channel, which is important for $H^\pm$ heavier than the top quark mass. When $H_{ m obs}$ decays to a $b\bar{b}$ pair, knowledge of the Higgs mass aids in the kinematic selection of signal events. We perform a signal-to-background analysis to demonstrate the LHC prospects for charged Higgs discovery in the resulting channel $pp o t(\bar{b})H^- o \ell^\pmν_\ell jj bb\bar{b}(\bar{b})$+h.c. for standard (300 fb$^{-1}$) and high (3000 fb$^{-1}$) luminosities at design energy, $\sqrt{s}=14 { m TeV}$. We find that regions of the parameter space of several two-Higgs doublet models, consistent with constraints from LHC Higgs searches and $b$-physics observables, are testable in this channel.

研究动机与目标

• 评估在LHC中H± → W±Hobs衰变道下带电希格斯玻色子的发现潜力。
• 在当前实验约束下，评估该通道对两希格斯双重模型（2HDMs），包括I型、II型和A2HDM的灵敏度。
• 确定Hobs → b¯b衰变模式（其质量已知为125 GeV）是否能改善信号选择与背景抑制。
• 在CMS希格斯信号强度约束（µγγ, µZZ）和b物理可观测量下，比较不同2HDM情景下的信号强度。
• 建立标准与高亮度LHC运行下的统计发现灵敏度轮廓（2σ, 3σ, 5σ）。

提出的方法

• 使用Pythia 6.4.28与MATCHIG模拟信号过程pp → tH± → bW±W∓Hobs → bbbjℓν，以避免重复计数。
• 使用MadGraph生成背景过程（t¯tb, t¯tW等），并通过Pythia 8进行部分子辐射与强子化处理。
• 通过DELPHES 3处理事件，采用ATLAS类参数进行探测器模拟，包括修改的b夸克喷流识别效率（|η| ≤1.2时εη = 0.7，1.2 ≤|η| ≤2.5时εη = 0.6）。
• 实施多步重建与选择流程：轻子与缺失能量要求，强子与轻子衰变W玻色子的重建，顶夸克抑制（采用“先抑制”与“后抑制”两种策略），Hobs从b夸克喷流对的重建。
• 应用质量约束：强子衰变W的|mjj − mW| ≤30 GeV，轻子衰变W的|mℓν − mW| = 0，Hobs的|mbb − 125| ≤15 GeV，顶夸克的|mWb − mt| ≤30 GeV。
• 使用重建的mWHobs作为区分变量，并通过S/√B计算2σ、3σ与5σ阈值的统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 H± → W±Hobs衰变道是否能在LHC中为带电希格斯玻色子提供可行的发现通道，特别是在Hobs质量已知为125 GeV的情况下？
• RQ2 包含已知质量的Hobs → b¯b衰变是否能有效提升该道道的信号与背景分离能力？
• RQ3 在当前实验约束下，H± → W±Hobs通道在不同2HDM情景（I型、II型、A2HDM）下的发现范围如何？
• RQ4 CMS希格斯信号强度测量（µγγ, µZZ）与b物理可观测量如何影响H± → W±Hobs通道的可测试参数空间？
• RQ5 在不同2HDM模型中，该通道实现5σ发现灵敏度所需的亮度（300 fb⁻¹ vs. 3000 fb⁻¹）是多少？

主要发现

• H± → W±Hobs通道在2HDMs中，特别是A2HDM中，展现出显著的发现潜力，即使在300 fb⁻¹亮度下也能观测到可观测的信号强度。
• 对于A2HDM，当mH±在200–500 GeV之间且tanβ ∈ [1.5,6]时，大部分参数空间在300 fb⁻¹下可被探测，且灵敏度可延伸至3000 fb⁻¹。
• 在Z2对称2HDM（I型与II型）中，受CMS约束（µγγ = 1.13±0.24, µZZ = 1.0±0.29）影响，信号强度降低，但在3000 fb⁻¹下仍存在可观测区域。
• 顶夸克抑制策略——在Hobs重建前后均应用——能有效抑制t¯tb与t¯tW背景，显著提升信号显著性。
• 信号强度σ(pp → tH±) × BR(H± → W±Hobs) × BR(Hobs → b¯b)在有利的A2HDM点可高达100 fb，在3000 fb⁻¹下超过5σ灵敏度。
• 即使在严格的b物理约束（BR(¯B→Xsγ), BR(Bu→τν), BR(Bs→μ+μ−), ∆MBd）下，A2HDM中仍有多组参数点在300 fb⁻¹下可被探测，表明该通道具有强鲁棒性。