[论文解读] The Higgs Portal Above Threshold

Nathaniel Craig, Hou Keong Lou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用 19

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）和未来的100 TeV质子-质子对撞机上，当标量粒子质量超过希格斯玻色子质量一半时，重希格斯门户标量的发现潜力，这一情形使得由实希格斯玻色子衰变产生的共振生产变得不可能。通过研究向量玻色子融合、单jet和顶夸克对产生等关联过程中的非共振希格斯玻色子产生，该研究预测了在关键新物理情景下的探测灵敏度，表明即使在希格斯耦合测量中未发现任何异常迹象的情况下，100 TeV对撞机仍能探测到与电弱重子生成、暗物质和自然性相关的显著参数空间区域。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson opens the door to new physics interacting via the Higgs Portal, including motivated scenarios relating to baryogenesis, dark matter, and electroweak naturalness. We systematically explore the collider signatures of singlet scalars produced via the Higgs Portal at the 14 TeV LHC and a prospective 100 TeV hadron collider. We focus on the challenging regime where the scalars are too heavy to be produced in the decays of an on-shell Higgs boson, and instead are produced primarily via an off-shell Higgs. Assuming these scalars escape the detector, promising channels include missing energy in association with vector boson fusion, monojets, and top pairs. We forecast the sensitivity of searches in these channels at $\sqrt{s} = 14$ & 100 TeV and compare collider reach to the motivated parameter space of singlet-assisted electroweak baryogenesis, Higgs Portal dark matter, and neutral naturalness.

研究动机与目标

• 系统评估当标量质量超过希格斯玻色子质量一半时，通过希格斯门户产生的重单态标量的对撞机信号，此时由实希格斯玻色子衰变产生的共振生产在动力学上不可行。
• 识别并优化搜索通道——如向量玻色子融合、单jet和顶夸克对产生——以通过缺失能量末态探测这些重标量。
• 评估14 TeV LHC和未来100 TeV强子对撞机在电弱重子生成、希格斯门户暗物质和中性自然性等受理论启发的新物理情景下的发现与排除能力。
• 通过在有效场论极限之外对Leading-Order HEFT蒙特卡罗模拟进行重加权，正确处理胶子关联产生中的非微扰效应。
• 确定即使在精确希格斯耦合测量中未观测到偏离的情况下，100 TeV对撞机是否仍能发现或排除重希格斯门户态。

提出的方法

• 研究分析了包含一个与标准模型希格斯粒子通过算符 $|H|^2 \phi^2$ 耦合的实标量单重态的希格斯门户模型，并通过 $Z_2$ 对称性保护该标量不与希格斯玻色子混合。
• 重点研究 $m_\phi > m_h/2$ 的参数区域，此时标量对无法通过实希格斯玻色子衰变产生，而必须依赖于非共振希格斯玻色子产生 ($pp \to h^* + X \to \phi\phi + X$)。
• 采用Leading-Order HEFT蒙特卡罗模拟对胶子和顶夸克关联产生过程进行分析，并通过重加权方法校正有效场论近似在非共振区域的偏差。
• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 和 $\sqrt{s} = 100$ TeV 下，预测了向量玻色子融合、单jet和顶夸克对关联产生中缺失能量末态的搜索灵敏度。
• 通过包含红外发散项重求和的热势能计算，评估了该参数空间在受理论启发的模型中的表现：单重态辅助的电弱重子生成、希格斯门户暗物质和中性自然性。
• 将对撞机探测能力与理论模型进行比较，特别评估100 TeV对撞机是否能在未从希格斯耦合测量中获得任何异常线索的情况下，探测到相关参数空间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 当实希格斯玻色子衰变生产在动力学上被禁止时，重希格斯门户标量（$m_\phi > m_h/2$）的主要对撞机信号是什么？
• RQ2 在不同关联产生模式下，14 TeV LHC与未来100 TeV强子对撞机探测这些重标量的灵敏度如何比较？
• RQ3 即使在精确希格斯耦合测量中未发现偏离，100 TeV对撞机是否仍能探测到由电弱重子生成、暗物质和中性自然性所启发的希格斯门户参数空间？
• RQ4 胶子关联产生中的非微扰效应如何影响发现能力预测的准确性？在有效场论极限之外需要哪些校正？
• RQ5 在非共振区，向量玻色子融合、单jet或顶夸克末态中哪一个对探测重希格斯门户标量具有最强的灵敏度？

主要发现

• 即使在希格斯耦合测量中未获得任何先前线索的情况下，100 TeV强子对撞机仍具有探测到由电弱重子生成、暗物质和中性自然性强烈启发的希格斯门户参数空间区域的潜力。
• 对于 $m_\phi \lesssim 200$ GeV 的情形，100 TeV对撞机可在未观测到精确希格斯耦合测量偏离的情况下，发现高质质量希格斯门户态，其探测能力超越了同质量量级的环形 $e^+e^-$ 对撞机。
• 向量玻色子融合在100 TeV对撞机上成为探测重希格斯门户标量的最有希望的通道，尽管胶子和顶夸克关联产生也贡献了显著的探测灵敏度。
• 本研究证明，对Leading-Order HEFT蒙特卡罗模拟进行重加权对于准确建模胶子关联产生至关重要，因为有效场论近似在非共振区域已失效。
• 在14 TeV下，尽管探测灵敏度有限，但仍具备足够的探测能力，值得在LHC第二阶段运行期间对重希格斯门户态进行优化搜索。
• 分析表明，即使在实希格斯玻色子衰变被动力学禁止的情况下，非共振希格斯产生机制仍具备发现潜力，使其成为探测重单态标量的关键通道。