[论文解读] Study of Electroweak Phase Transition in Exotic Higgs Decays at the CEPC

Zhen Wang, Xuliang Zhu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用在√s = 240 GeV下收集的5000 fb⁻¹ e⁺e⁻数据，调查了在环形电子正电子对撞机（CEPC）上Higgs粒子衰变为一对轻量自旋-0标量粒子（H→ss→4b）的奇异衰变过程。结果表明，CEPC能够探测到质量低至20 GeV的单峰标量引起的强一阶电弱相变，其灵敏度显著优于大型强子对撞机（LHC），尤其在15–60 GeV质量范围内。

ABSTRACT

A strong first-order electroweak phase transition (EWPT) can be induced by light new physics weakly coupled to the Higgs. This study focuses on a scenario in which the first-order EWPT is driven by a light scalar $s$ with a mass between 15-60 GeV. A search for exotic decays of the Higgs boson into a pair of spin-zero particles, $h o ss$, where the $s$-boson decays into $b$-quarks promptly is presented. The search is performed in events where the Higgs boson is produced in association with a $Z$ boson, giving rise to a signature of two charged leptons (electrons or muons) and multiple jets from $b$-quark decays. The analysis is considering a scenario of analysing 5000 fb$^{-1}$ $e^+ e^-$ collision data at $\sqrt{s} = 240 $ GeV from the Circular Electron Positron Collider (CEPC). This study with $4b$ final state conclusively tests the expected sensitivity of probing the light scalars in the CEPC experiment. The sensitivity reach is significantly larger than that can be achieved at the LHC.

研究动机与目标

• 研究CEPC探测由与Higgs玻色子耦合的轻量标量单重态驱动的强一阶电弱相变（SFOEWPT）的潜力。
• 评估CEPC对Higgs粒子衰变为一对轻量自旋零标量（H→ss）的奇异衰变过程的灵敏度，其中每个s粒子迅速衰变为底夸克。
• 比较基于截断（cut-based）与多变量（BDT）分析技术在Z上传感器关联产生中识别H→ss→4b末态的表现。
• 建立标量质量在15–60 GeV范围内的信号截面乘以分支比在95%置信水平下的预期上限。

提出的方法

• 分析聚焦于在√s = 240 GeV下的e⁺e⁻碰撞中Z上传感器关联产生过程，其中Higgs粒子衰变为两个轻量标量粒子（s），每个s粒子进一步衰变为底夸克，最终形成4b末态。
• 利用不变质量、角分布和b-夸克喷注标记等运动学变量来区分信号与背景，采用提升决策树（BDT）以增强信号灵敏度。
• 通过带参数的分箱似然函数拟合，结合统计与系统不确定性的影响，利用 nuisance 参数设置95%置信水平下对信号截面乘以分支比的上限。
• 系统不确定性的建模采用高斯、对数正态或泊松先验分布，嵌入似然函数中，包括喷注能量标度、b-标记效率和轻子重建等影响。
• 使用参考探测器模拟来建模真实的CEPC条件，包括探测器分辨率和接受度效应。
• 将Z→ℓ⁺ℓ⁻衰变产生的电子和μ子末态数据合并，以提升统计量和灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CEPC能否实现对质量低至15 GeV的轻量标量的奇异Higgs衰变H→ss→4b的探测灵敏度？
• RQ2 在15–60 GeV范围内，CEPC对轻量标量介导的SFOEWPT的探测灵敏度与LHC相比如何？
• RQ3 在识别H→ss衰变产生的4b末态时，基于截断与多变量（BDT）分析方法的相对性能如何？
• RQ4 真实探测器效应和系统不确定性在多大程度上限制了CEPC在此衰变道中的探测灵敏度？
• RQ5 CEPC能否确凿地探测到由轻量标量单重态引发的强一阶电弱相变的参数空间？

主要发现

• 采用BDT分析方法，CEPC对信号截面乘以分支比（σ_ZH × B(H→ss→4b)）的预期上限在m_s = 15 GeV时为0.0006 fb，在m_s = 60 GeV时为0.0008 fb。
• 当m_s = 15 GeV时，95%置信水平上限为0.0006⁺⁰·⁰⁰⁰³⁺⁰·⁰⁰⁰⁰⁷₋₀·⁰⁰⁰²₋₀·⁰⁰⁰⁰² fb，显示出对轻量标量的高灵敏度。
• BDT分析方法优于基于截断的方法，在大多数质量范围内将上限降低约5–6倍，尤其在30 GeV以下更为显著。
• CEPC的探测灵敏度可延伸至m_s = 20 GeV，95%置信水平上限为0.0005 fb，显著优于该质量范围内LHC的预期探测能力。
• 本研究证实，CEPC能够确凿地探测到轻量标量引起的SFOEWPT参数空间，特别是在15–60 GeV窗口内，而LHC在此区域的探测灵敏度有限。
• 包含探测器效应和系统不确定性的真实模拟结果，其排除极限弱于先前研究的预期，凸显了详细探测器建模的重要性。