[论文解读] "Silver" mode for heavy Higgs search in the presence of a fourth SM family

S. Sultansoy, G. Ünel|ArXiv.org|Jul 22, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出“银”模式—h → ν₄ν̄₄ → μWμW → μjjμjj—作为在存在第四代标准模型（SM）费米子情况下发现重希格斯玻色子（300–500 GeV）的有力候选通道。该模式通过更高的分支比和更清洁的纯μ子末态，使信号产额相比‘黄金’模式（ZZ → ℓℓℓℓ）提升高达15倍，从而在1 fb⁻¹亮度下实现对重希格斯玻色子与第四代中微子的同步发现。

ABSTRACT

We investigate the possible enhancement to the discovery of the heavy Higgs boson through the possible fourth SM family heavy neutrino. Using the channel h-> v4 v4->mu W mu W-> mu j j mu j j, it is found that for certain ranges of Higgs boson and v4 masses LHC could discover both of them simultaneously with 1 fb^-1 integrated luminosity.

研究动机与目标

• 探索在存在第四代标准模型家族的情况下，发现重希格斯玻色子的新探测通道。
• 评估 h → ν₄ν̄₄ → μWμW 衰变链作为标准‘黄金’模式的竞争性替代方案的可行性。
• 量化第四代中微子衰变带来的信号增强效应及其对 LHC 上探测性的影响。
• 评估在 1 fb⁻¹ 亮度下，是否能够同时发现重希格斯玻色子与第四代中微子。

提出的方法

• 使用与 SM 数据相容的 4×4 束子型 CKM 矩阵参数化方法，对 h → ν₄ν̄₄ 衰变进行建模。
• 计算 h → ν₄ν̄₄ 的分支比作为希格斯玻色子与 ν₄ 质量的函数，发现在 m_ν₄ ≈ 100 GeV（m_h=300 GeV）和 150 GeV（m_h=500 GeV）时达到最大值。
• 估算衰变链 ν₄ → μW 的分支比，其中 Br(ν₄ → μW) ≈ 0.68，ν₄ → τW 的分支比 ≈ 0.32，最终末态包含两个μ子与四个喷注。
• 通过分支比比值与亮度缩放，比较‘银’模式（μμjjjj）与‘黄金’模式（ℓℓℓℓ）的信号产额。
• 包含一个 W 粒子发生轻子衰变（ℓν）的关联衰变道，使总信号产额提升 63%。
• 考虑 ν₄ 的马约拉纳性质，从而实现具有相同电荷 μ 子与极低 SM 背景的‘白金’模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 h → ν₄ν̄₄ → μWμW 衰变链能否作为重希格斯玻色子发现中‘黄金’模式的可行替代方案？
• RQ2 对于 m_h = 300 和 500 GeV 的希格斯玻色子，‘银’模式相对于‘黄金’模式的信号增强因子是多少？
• RQ3 第四代中微子的存在如何影响在 LHC 上以 1 fb⁻¹ 亮度探测希格斯玻色子的可行性？
• RQ4 在 m_h = 300 和 500 GeV 条件下，1 fb⁻¹ 亮度下‘银’模式中预计可重建的希格斯玻色子与 ν₄ 对数量是多少？
• RQ5 ν₄ 的马约拉纳性质是否能实现更清洁、背景抑制更强的‘白金’探测通道？

主要发现

• 当 m_h = 300 GeV 且 m_ν₄ = 100 GeV 时，‘银’模式的分支比为 1.22 × 10⁻²，而‘黄金’模式为 1.12 × 10⁻³，实现 11 倍增强。
• 当 m_h = 500 GeV 且 m_ν₄ = 150 GeV 时，‘银’模式的分支比达到 1.88 × 10⁻²，相比‘黄金’模式实现 15 倍增强。
• 包含一个 W 粒子发生轻子衰变的关联衰变道后，总信号产额提升 63%，使增强因子在 m_h = 500 GeV 时达到 24，在 m_h = 300 GeV 时达到 18。
• 在 1 fb⁻¹ 亮度下，对于 m_h = 300 GeV 与 m_ν₄ = 100 GeV，预计可重建约 850 个希格斯玻色子与 1,700 对 ν₄。
• 马约拉纳情况可实现‘白金’模式，具有相同电荷 μ 子末态，信号减少一半但 SM 背景被抑制至可忽略水平。
• 第四代夸克使希格斯产生截面增强 5–8 倍，从而提高信号率并减少实现 5σ 发现所需的亮度。