[论文解读] Searching for a lighter Higgs: parametrisation and sample tests

Giacomo Cacciapaglia, Aldo Deandrea+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在标准模型之外的理论中对较轻的希格斯样标量粒子进行模型无关参数化的方案，采用相对于相同质量的标准模型希格斯粒子的归一化耦合修正因子（$κ$）。该方法可直接将大型强子对撞机（LHC）对126 GeV希格斯粒子的约束转化为任意轻标量的约束，揭示出$κ$参数之间的独特关联——如$κ_{V,1} = 2κ_{b,1}$或$κ_{t,1} = κ_{V,1}/2$——从而区分如2HDM-II和NMSSM等模型，并在无需紫外完成细节的情况下解释$γ\u03b3$通道中的信号增强现象。

ABSTRACT

The structure of the Higgs sector is a major issue in the quest of a detailed description of the electroweak interactions. Most of the effort is devoted to the study of the standard model--like Higgs boson at 126 GeV, however the experimental collaborations at the LHC are also searching for extra scalar particles whose presence may hint to an extended Higgs sector, typical of many extensions of the standard model. We study a model independent parametrisation of a scalar particle lighter than the 126 GeV Higgs boson, which may be easily implemented in the ongoing searches by ATLAS and CMS. Indeed many effective Lagrangians/parametrisations used at present for the description of the Higgs sector implicitly assume that no light particles other than the standard model ones are present in the spectrum. We therefore introduce a parametrisation of a two scalars model, one corresponding to the 126 GeV Higgs boson and the other to a lighter scalar. After the introduction of such a tool, we consider two typical examples falling in this category, in order to illustrate the use of our formalism: the two Higgs doublet model and the next to minimal supersymmetric standard model. Our results agree with the specific studies performed for these models. Furthermore, employing such a generic parametrisation allows us to translate the bounds to any model beyond the standard model falling into this class.

研究动机与目标

• 为解决在126 GeV希格斯态之外对轻希格斯标量的LHC限制缺乏标准化解释框架的问题。
• 开发一种基于归一化耦合修正因子的双标量系统（一个对应126 GeV希格斯粒子，另一个为较轻标量）的模型无关参数化方法。
• 实现从126 GeV希格斯粒子到任意具有轻标量的BSM模型的实验约束的直接转换，提升理论与实验之间的接口效率。
• 通过展示该参数化在区分2HDM-II与NMSSM等具体模型方面的能力，证明其有效性，特别是通过可观测的耦合关联。

提出的方法

• 定义费米子和矢量玻色子的耦合修正因子$\kappa_{f,i} = g_{h_i ff}^{\text{BSM}} / g_{h_{\text{SM}}, ff}^{\text{SM}}$，并以相同质量的标准模型希格斯粒子为归一化基准。
• 通过圈图贡献推导光子和胶子的圈诱导耦合参数化，使用$\kappa_{\gamma,i}$和$\kappa_{g,i}$。
• 在规范对称性与$\mathcal{CP}$-守恒假设下，约束标量场的结构。
• 在两个基准模型（类型I、II、III、IV的2HDM与NMSSM）中实现该参数化，以检验其预测能力。
• 利用LHC对信号强度的约束（例如$gg \to h_1 \to \gamma\gamma$）在$\kappa$-参数空间中绘制允许区域。
• 从重希格斯极限下的近似关系中推导出解析关系，如2HDM特定类型中的$\kappa_{t,1} = \kappa_{V,1}/2$或$\kappa_{b,1} = 2/\kappa_{V,1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一种适用于轻希格斯标量的通用参数化方法，以实现LHC约束在不同模型间的比较？
• RQ2 在如2HDM-II与NMSSM等特定BSM模型中，哪些独特的$κ$参数关联会显现，它们如何影响信号强度？
• RQ3 能否仅通过$κ$-参数关联解释$gg \to h_1 \to \gamma\gamma$通道中的增强现象，而无需引入紫外完成细节？
• RQ4 为何2HDM-II与NMSSM在$\kappa_{V,1}$–$\kappa_{b,1}$与$\kappa_{V,1}$–$\kappa_{t,1}$平面中表现出不同的允许区域，尽管其基础对称性相似？
• RQ5 该参数化在多大程度上可简化未来LHC对轻标量的搜索结果的解释？

主要发现

• 该参数化方法成功再现了2HDM-II与NMSSM中的已知约束，验证了其与现有模型特异性分析的一致性。
• 在2HDM-II中，允许的$κ$-参数空间表现为特定直线：$κ_{t,1} = \u03ba_{V,1}/2$或$κ_{b,1} = 2/\u03ba_{V,1}$，这是由于Yukawa耦合之间存在强关联。
• 在2HDM-II中，若$κ_{V,1} \neq 0$，则$κ_{b,1} \approx 0$区域被排除，因为这将导致$γ\u03b3$信号强度过大，与LHC数据矛盾。
• 对$gg \to h_1 \to \gamma\gamma$通道的增强现象，可通过非零的$κ_{\gamma,1}$与$κ_{b,1} \approx 0$来解释，且在NMSSM中，带电粒子圈对增强有显著贡献。
• 该参数化实现了对实验结果的模型无关解释：例如，$γ\u03b3$信号强度>1可直接关联到特定$κ$-参数配置，而无需指定紫外模型。
• 该方法可高效地将126 GeV希格斯粒子的LHC限制转化为任意轻标量的约束，减少了对重复模型特异性重新计算的需求。