[论文解读] What if bb does not dominate the decay of the Higgs-like boson?

Jiwei Ke, Hui Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了一种场景，即126 GeV的希格斯玻色子样态粒子并未如标准模型所预测的那样主要衰变为 $b\bar{b}$，而是其 $b\bar{b}$ 衰变被高度抑制，$\tau^+\tau^-$ 衰变略有减少，而规范玻色子衰变则适度增强。该文提出，一个非解耦合的MSSM希格斯玻色子（$H$）通过 $H \to hh$ 衰变为一个更轻的希格斯玻色子（$h$）可解释这些观测异常，尽管这需要一个高度微调的参数区域，且 $G_{Hhh}$ 耦合常数极小。

ABSTRACT

The dominant decay mode of standard model Higgs at 126 GeV $b\bar{b}$ suffers from severe SM background at the LHC even in associated productions $Wh_{ m SM}$ or $Z h_{ m SM}$. The precision measurement of BR($ϕ o b\bar{b})$ requires more data to reduce its large error bar. We investigate the possibility of this channel with largest uncertainty not dominating the decay of Higgs-like boson discovered at the LHC. In such scenarios, the Higgs signal shows highly suppressed $b\bar{b}$, slightly reduced $τ^{+}τ^{-}$ and moderately enhanced gauge bosons comparing with the SM predictions. The model requires two different sources of electroweak symmetry breaking and radiative correction to $m_{b}$ strongly enhanced. However, large reduction in $b\bar{b}$ usually results large enhancement in $τ^{+}τ^{-}$ mode in particular. The reduction of $τ^{+}τ^{-}$ therefore implies that a new decay mode is inevitable. We find that a non-decoupling MSSM Higgs decay into lighter Higgs $H o hh$ may fit the signature. Here, MSSM $H$ is identified as the 126 GeV resonance while $h$ is below $M_{H}/2$ and can evade the direct search bound at LEPII and Tevatron. Large $PQ$ and $R$ symmetry breaking effects mediated by strong interaction can strongly enhance radiative corrections in $m_b$. However, the scenario can only be realized in highly fine-tuned parameter region where $G_{Hhh}$ is tiny. Nevertheless, we discuss the discovery potential of this highly fine-tuned $H o hh$ at the LHC.

研究动机与目标

• 研究126 GeV希格斯样态粒子的 $b\bar{b}$ 衰变模式是否可能显著被抑制，与标准模型预测相反。
• 识别可解释观测异常（$b\bar{b}$ 衰变被抑制、$\tau^+\tau^-$ 略有减少、$WW^*$/$ZZ^*$ 衰变增强）的新物理模型。
• 探讨是否存在新的衰变通道（如 $H \to hh$），其中 $h$ 是低于 $M_H/2$ 的较轻希格斯玻色子，以解释 $b\bar{b}$ 和 $\tau^+\tau^-$ 率的降低。
• 评估该场景在14 TeV LHC上，积分亮度超过100 fb⁻¹时的发现潜力。
• 考察辐射修正及两种不同的电弱对称性自发破缺源在抑制底夸克 Yukawa 耦合中的作用。

提出的方法

• 作者分析了7和8 TeV LHC运行期间ATLAS和CMS的数据，使用 $R = \sigma_{\text{obs}}/\sigma_{\text{SM}}$ 的中心值来建模 $b\bar{b}$ 衰变被高度抑制的场景。
• 他们应用了标准模型希格斯耦合的理论约束，特别是 $\tau$-b 质量比，推断出 $b\bar{b}$ 宽度的大幅减少必然需要新的衰变通道，以避免 $\tau^+\tau^-$ 衰变的过度增强。
• 该模型假设一个非解耦合的MSSM希格斯 sector，其中126 GeV共振态被识别为重的CP-奇性希格斯玻色子 $H$，通过 $H \to hh$ 衰变为两个更轻的希格斯玻色子 $h$，且满足 $m_h < M_H/2$。
• 通过强QCD效应（由大的 $PQ$ 和 $R$ 对称性破缺介导）增强对底夸克质量的辐射修正，从而实现 $b\bar{b}$ 耦合的抑制。
• 通过计算分支比和部分宽度（包括 $\Gamma(H \to hh)$、$\Gamma(H \to b\bar{b})$ 和 $\Gamma(H \to WW^*)$）来检验理论一致性，其中 $G_{Hhh}$ 耦合为关键参数。
• 利用截面和分支比估算14 TeV LHC上 $WH$ 和 $ZH$ 的关联产生信号率，最终状态率的计算中包含运动学和事例标记效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过新物理解释126 GeV希格斯样态粒子的 $b\bar{b}$ 衰变模式显著抑制，而不违反其他实验约束？
• RQ2 若 $b\bar{b}$ 衰变被强烈抑制，对 $\tau^+\tau^-$ 衰变率有何影响，如何与观测数据调和？
• RQ3 是否存在一个可行的模型能同时解释 $b\bar{b}$ 衰变被抑制、$\tau^+\tau^-$ 略有减少以及 $WW^*$/$ZZ^*$ 衰变增强？
• RQ4 $H \to hh$ 衰变模式在非解耦合MSSM中能否解释观测异常？其所需的精细调参条件是什么？
• RQ5 在14 TeV LHC上，为以 >3σ 显著性发现此类 $H \to hh$ 信号，需要多高的亮度和能量要求？

主要发现

• 在所提场景中，$b\bar{b}$ 衰变模式被高度抑制，对于 $H \to hh \to b\bar{b}b\bar{b}$，分支比降低至约28.9%，远低于标准模型中 $h_{\text{SM}} \to b\bar{b}$ 的约85.8%。
• 对于 $H \to hh \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$，$\tau^+\tau^-$ 衰变分支比为4.6%，与ATLAS观测到的 $R \approx 0.7$ 一致。
• 在14 TeV LHC上，关联产生截面为 $\sigma(pp \to WH) = 1.59~\text{pb}$ 和 $\sigma(pp \to ZH) = 0.94~\text{pb}$，而 $gg \to H$ 的胶子融合截面为 $56.31~\text{pb}$。
• 对于具有两个强子衰变 $\tau$ 的同号双轻子末态，信号率估计为 $42.6~\text{fb}$（无截断），表明在100 fb⁻¹数据下具有可观测潜力。
• 该模型要求一个高度微调的参数区域，且 $G_{Hhh}$ 耦合常数极小，因此在自然性标准下该场景可能性较低。
• 发现 $H \to hh$ 信号需在14 TeV LHC上积累超过100 fb⁻¹的数据，才能实现与标准模型背景的 >3σ 偏离。