在LHC上通过4τ信号寻找重希格斯玻色子

马妍 ,  王彦

内蒙古师范大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (01) : 73 -80.

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内蒙古师范大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (01) : 73 -80. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8735.2025.01.009

在LHC上通过4τ信号寻找重希格斯玻色子

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Search for a Heavy Higgs Boson at Large Hadron Collider Through 4τ Signal

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摘要

在积分亮度为300 fb -1s=14 TeV的条件下,通过蒙特卡罗法模拟大型强子对撞机上的对撞事例,分析双希格斯二重态模型预言的重中性希格斯玻色子H的产生和衰变过程:ppHhhτ+τ-τ+τ-,发现最终末态为l±vvl±vvτjτj(l=e,µ) 信号,说明满足过往实验及理论的要求下,在大型强子对撞机上发现4τ信号的可能性很大。

Abstract

This paper simulates collision events on the large hadron collider (LHC) by the Monte Carlo method under the conditions of integrated luminosity of 300 fb-1 and s=14 TeV. Further, it analyzes the production and decay process (pp→H→hh→τ+τ-τ+τ-) of the heavy-neutral Higgs boson(H) predicted by the two-Higgs-doublet model and finds that the final state is l±vvl±vvτjτj (l=e,µ) signal. This illustrates the high probability of discovering a 4τ signal at the LHC when the requirements of past experiments and theories are met.

Graphical abstract

关键词

双希格斯二重态模型 / 重希格斯玻色子 / 希格斯物理

Key words

two-Higgs-doublet model / heavy Higgs boson / Higgs physics

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马妍,王彦. 在LHC上通过4τ信号寻找重希格斯玻色子[J]. 内蒙古师范大学学报(自然科学版), 2025, 54(01): 73-80 DOI:10.3969/j.issn.1001-8735.2025.01.009

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大型强子对撞机(large hadron collider,LHC)在理解亚微观原子结构方面发挥了不可替代的作用,特别是2012年在LHC上发现了125 GeV的标量希格斯玻色子(Higgs)13,标志着标准模型(the standard model,SM)的粒子谱全部被实验验证。迄今为止,ATLAS和CMS实验团队的结果表明,对该粒子性质的测量与SM预测在2σ水平上保持一致45。然而,无论是理论上的规范等级问题,还是实验上的中微子质量振荡、物质⁃反物质不对称等问题,都表明了SM不可能是对自然的最终描述,而应该被视为某种尚未发现的更基本的大统一理论的低能实现。有几种超出标准模型的新物理(new physics beyond standard model,BSM)理论可以解决SM的这些弱点。双希格斯二重态模型(two higgs doublet model,2HDM)是对SM最简单的扩充,它包含两个Higgs双重态Φ1和Φ2,赋予所有费米子和规范玻色子质量。2HDM预测了5个物理可观测的Higss粒子,两个中性标量粒子h/H(mh<mH,其中一个被视为类SM质量为125 GeV 的Higgs玻色子),一对带电Higgs粒子H±以及一个赝标量粒子A6
根据ATLAS和CMS的最新实验结果,并没有完全排除类SM的Higgs玻色子的非SM衰变模式的存在,两个实验团队直接搜索的结果都对这种非SM衰变的分支比(branch ratio, B)设定了最强限制,ATLAS为12%7,CMS为16%8。LHC的实验有望通过间接测量将这种BSM的B限制在5%~10%以上49。在2HDM中,如果H是观测到的类SM的Higgs玻色子,衰变模式有两种可能:H→hh和H→AA,在最新的研究中81011,衰变模式H→hh可能成为主导模式。通过研究四费米子末态的衰变过程(pp→H→XX→f1f1f2f2,其中f1,2代表轻费米子),对类SM的Higgs玻色子进行了多次实验搜索,例如末态为μ子、τ子或底夸克,这些实验搜索可以更好地了解Higgs玻色子的衰变行为,并进一步限制X衰变成不同轻费米子对的可能性。研究四费米子末态的衰变过程得益于σ(pp→H)这样的大截面,在某些BSM模型中,类SM的Higgs玻色子的B(H→hh)可达10%。受最近CMS实验对τ τ τ τ信号搜索1213的启发,本文将研究2HDM Type⁃X模型下的pp→H→hh→τ+τ-τ+τ-过程。在这种情况下,h→τ+τ-衰变可能会增强,从而导致相当大的4τ态。因此,在考虑了完整的探测器效应模拟后,这一说法是否足够稳健值得检验。
鉴于目前实验数据,本文假设重Higgs玻色子H作为观察到的质量为125 GeV的Higgs玻色子,其性质与LHC测量的结果一致,轻Higgs粒子则是一个新的超越标准模型的粒子。当参数空间符合相应的理论要求以及LHC和其他最新数据的实验约束时,在2HDM Type⁃X模型中,一个重Higgs玻色子H可以衰变成两个轻Higgs玻色子h,即125 GeV > 2Mh。本文在质心碰撞能量为14 TeV,积分亮度为300 fb-1的探测器模拟下,对信号过程pp→H→hh→τ+τ-τ+τ-→l±vvl±vvτjτj(l=e,µ)和相关背景过程进行了详细的蒙特卡罗研究,以检验其在大型强子对撞机上的可行性。

1 2HDM的参数空间扫描和实验约束

额外的Higgs二重态是扩充了Higgs部分相关的拉氏量部分。在2HDM中,Φ ii=1,2)是两个复标量二重态,可以参数化为

Φi=φi+12(νi+φi0+iaϕi)

其中,νi是物理的真空期望值(VEVs),对应着的是Higgs势的最小值,它们之间满足

v=(v12+v22)=246 GeV。

2HDM常用的标量CP守恒势14可以表示为

V=m112Φ1Φ1+m222Φ2Φ2+m122Φ1Φ2+Φ2Φ1+λ12Φ1Φ12+λ22Φ2Φ22+
        λ3Φ1Φ1Φ2Φ2+λ4Φ1Φ2Φ2Φ1+λ52Φ1Φ22+Φ2Φ12

其中,标量场之间的耦合常数λ1λ5是实数,V是厄米算符,质量平方参数m112m222m122为实数。

为避免2HDM树图中的中性流问题(FCNCs),本文引入一个离散Z2对称性,使每种类型费米子仅与2HDM的一个二重态耦合。根据不同的耦合方式,可以将2HDM分为四种基本类型15,分别为Type⁃I、Type⁃Ⅱ、Type⁃X或者lepton⁃specific、Type⁃Y或者flipped。在Type⁃X模型中,每个Higgs二重态与所有费米子都有耦合。由于Type⁃X模型的tan β值很大,h与轻子的耦合强于与顶夸克耦合,因此,Higgs粒子将更倾向于衰变成轻子而非顶夸克,从而提高了h→τ+τ-的可能性。

当研究2HDM的可行性时,需要满足稳定性条件和微扰幺正性条件:

λ1,2>0,λ3>-λ1λ2,λ3+λ4-λ5>-λ1λ2

S矩阵应满足以下限制:

3(λ1+λ2)±9(λ1-λ2)2+ 4(2λ3+ λ4 2)  < 16π
λ1+λ2±(λ1-λ2)2+ 4 λ5 2  < 16π
λ3+2λ4±3λ5  < 8π
λ3±λ4 < 8π
λ3±λ5 < 8π

电弱精确测量oblique参数ST

S=0.04±0.08,T=0.08±0.07。

根据在LEP、Tevatron和LHC实验中进行的Higgs玻色子搜索,使用了HiggsBounds程序16对Higgs玻色子的参数进行排除限制;为了确保与类SM的Higgs粒子性质的一致性,使用HiggsSignals程序进行约束;使用SuperIso v4.1计算B物理的观测量,并使用具体的观测值进行分析1718,系统检查每个参数点,结果见表1

值得注意的是,在使用HiggsSignal研究Higgs相关实验给出的实验限制时,忽略了e+e-hkZbb¯Z过程带来的限制,因实验过程已经排除2HDM⁃Type⁃X模型中所有 mh < 62.5 GeV的轻Higgs粒子存在的可能性。但是本文的目的主要是研究轻Higgs粒子衰变得到的4τ信号在对撞机上的特点,以及区分其与背景事例的方法。本研究更注重运动学方面的研究,而不关注2HDM模型得到的截面大小。因此,本研究在2HDM这个简单的理论模型下进行分析。在其他模型,例如NHDM模型或NMSSM模型中,依然可以找到满足实验限制的轻Higgs粒子衰变得到的4τ的参数空间,其预言的截面和分支比与本研究不同,但现象学分析与本文类似。

根据以上的理论约束条件以及目前在2HDM上的实验限制下,对可能的参数空间进行了以下数值探索:

Mh∈[15,60] GeV,MH=125 GeV,

MA=245 GeV,MH+=258 GeV,

sin(β-α)∈[-0.25,-0.05],

tan(β)∈[2,13]。

在以上Mh的范围内,图1分别展示了 B(H→hh)及B(h→ττ)和B(H→hh→4τ)的函数关系。由图1(a)可知,B(H→hh)大部分仍低于10%,这种限制来自对Higgs玻色子耦合的精确测量,这对Higgs玻色子的衰变施加了严格的限制。对于B(h→ττ)高达99%,h的总宽度明显受h→ττ支配。这就导致信号过程的截面会大,pp→H→hh→4τ信号过程的整体截面如图2所示,其中产生H的主要通道是胶子⁃胶子融合机制。发现当B(H→hh)和B(h→ττ)达到最大值时,H→hh→4τ的横截面可以大于4 pb,说明分析此信号过程具有重要意义。

为测试参数空间所允许的部分,选取表2中的12个基准点(BPs),其产生截面值非常大因而具有较高的实验发现的可能性。从表2中可知,所有基准点的横截面约为2~5 pb,这足以在对撞机上检测到。

2 探测器模拟

蒙特卡罗模拟是一种基于随机采样和统计方法的计算技术,它提供了一种定量分析性质和行为的有力工具。本文对重中性Higgs粒子信号过程pp→H→hh→4τ在LHC(质心碰撞能量为14 TeV)上进行系统地蒙特卡罗模拟,通过计算软件MadGraph5_aMC@NLO v3.3.1、Pythia及Delphes实现模拟对撞过程。对于此信号过程,一个h衰变为两个τ,其中一个τ衰变为轻子 (l=e,µ)和中微子(B(τ→lvv)=35.21%),另一个τ衰变为τj B(τ→τj)=64.79%)。因此最终有五大信号末态衰变道:(a) l±vvl±vvl±vvl±vv,(b) l±vvl±vvl±vvτj,(c) l±vvl±vvτjτj,(d) l±vvτjτjτj,(e) τjτjτjτj。这五种末态的衰变分支比分别为:1.54%,11.32%,31.2%,38.32%,17.62%。对于(a)、(b)这样的末态,由于衰变分支比太小,考虑到后续计算显著性的大小,效果不佳;对于(d)、(e)这样的末态,其衰变分支比虽然大,但是在实现质子⁃质子对撞时,很有可能与背景混淆,导致信噪分离的难度加大,所以找这样的末态是困难的,因此本文选择l±vvl±vvτjτj作为最终末态。考虑背景过程有以下八种:tt¯,Wtb,WWjj,Zjj,ZZ,tt¯Ztt¯ZZtt¯WW,为了抑制背景,在考虑相关的理论和实验条件后,为提高实验的意义,将信号末态的两个轻子视为同号轻子,像Zjj这样由于截面大而难以生成的背景,可以通过该准则忽略。

经过以上分析后,首先在MadGraph5_aMC@NLO v3.3.1中计算截面,在事例的部分子水平上生成模拟数据。本文采用以下的动力学截断来提高事例的生成效率:

η(l,j)<2.5PT(j,l)>10 GeV, R(ll/ jj)>0.4, MET>5 GeV,

其中,η表示赝快度、PT代表横动量、MET表示缺失横动量、R代表两粒子之间的距离。在这里所有BPs及背景的横截面整理见表3-4。由表3可知,在Mh∈[15,60] GeV的范围内,信号截面约为7~23 fb。

产生事例之后,利用Pythia8模拟实现初态、末态辐射,部分子喷注,重味衰变以及强子化过程;再使用Delphes模拟探测器效应,并为实验数据集的分析提供支持。对于每个事件,分析中采用FastJet软件包中喷注参数为∆R=0.4的anti⁃kt喷注算法形成喷注。

3 预筛选

为减少背景干扰,本文首先进行预筛选。仅考虑τ→lvv及τ→τj,所以从探测器模拟的事例中选择l±vvl±vvτjτj作为最终态。如前所述,为了进一步抑制巨大的SM背景,本文选择相同符号的二轻子状态以便于分析,即l+vvl+vvτjτj或l-vvl-vvτjτj。值得注意的是,由于jet的τ标记率低于jet的动量,因此在分析中没有应用τ标记。上述同号二轻子类别的信号及SM背景经过挑选后剩余的截面分别列在表5-6中。

4 重建观测量

为进一步区分信号和背景,根据信号特征在模拟事例中重建了h、H玻色子的不变质量(MhMH)以及末态所有可见粒子的横向动量和(HT)。利用这些观测量可以直接观察信号和背景的运动学分布,以便于添加和判断信号区间的范围。此外,本文还利用BDTG(boosted decision trees with gradient boosting)机器学习方法通过训练决策树,根据特征对信号和背景进行更有效的分离。以下分析中以BP8为例进行观测量的重建。

对于轻希格斯玻色子h观测量的重建,由于过程h→ττ并且τ→lvv及τ→τj,所以会有四个中微子处于信号的最终状态,完全重建每一个轻希格斯玻色子的动量是很困难的。但由于轻子的动量和MET都很小,可用一个轻子和一个jet近似地重建轻希格斯玻色子。显然,在每个事件中的两个轻子和两个jet有4种可能的组合。并且通过最小化式(8)中的X2,将末态下的两个同号轻子和两个τj分别配对,找出这4种可能,并标记为h1和h2,其中Mh见表2。图3为两个h的不变质量分布图。 X2=(Mh1-Mh)2+(Mh2-Mh)2

对于重希格斯玻色子H,在没有任何MET的情况下,找出末态最硬的两个同号轻子以及两个τj的四动量,进行不变质量MH图4(a)所示)及所有末态粒子横向动量的标量和HT图4(b)所示)两个观测量的重建。

通过比较以上这些特征,可以识别出信号(蓝色线)与背景(红色线)之间的差异,这为选择适当的信号区间提供了极大的帮助与指引,通过选择合适的截断区间从而找到可能含有新物理信号的区域。

本文还使用了基于ROOT分析框架的TMVA(toolkit for multivariate data analysis)软件包,应用BDTG这种多变量分析技术,多变量分析提供了强有力的信噪区分的能力。在预处理的基础上,首先对于以上重建的MhMHHT等观测量添加动力学截断减少背景事例数,然后再进行BDTG模型的训练和测试过程。在训练模型之前,应该对数据进行异常值处理,这有助于防止异常值对BDTG模型训练的影响。在经过所有观测量的相关性分析后,得到8个相关性不大的观测量,分别为动力学变量HTMh1Mh2,角变量cosθl1-l2cosθl1-j2cosθl2-j1cosθl2-j2cosθh1-h2。将8个观测量输入BDTG模型,得到TMVA的输出,如图5所示,可见信号和背景之间有非常明显的分离。

5 结果与结论

5.1 结果

在选择适当的截断条件时,需要权衡保留信号和抑制背景两个关键因素。背景抑制的核心原则是在尽可能保留信号的前提下,有效地减少背景对最终结果的影响。通过优化背景抑制方法,可以提高对新物理信号的发现潜力。信号显著性的定义通常为信号和背景过程的有效事件数之比的比率Nsig/(Nsig+Nbkg)Nsig代表信号事件的数量,Nbkg代表背景事件的数量。以BP8为例,对本文研究的新物理信号过程进行了分析,BP8在整个分析中的截断区间、相应的信号背景有效事例数及显著度的大小结果见表7。此外,经过不同截断条件后信号和背景有效事例数的柱状图见图6,从图6中可以发现,总背景的剩余事例数(红)有很快的下降趋势,而信号的剩余事例数(蓝)被保留得很好,这说明最终的显著度也会明显提升。

此外,另外11个BP点经过以上筛选后最终显著度的结果见表8,从表8可以看出,显著度都有明显的提升,说明新物理信号pp→H→hh→τ+τ-τ+τ-→l±vvl±vvτjτj(l=e,µ)被发现的可能性很大。

5.2 结论

本文在s=14 TeV,积分亮度为300 fb-1的LHC条件下,研究了2HDM Type⁃X中重中性Higgs玻色子H的在壳层衰变(2mh<mH)特性,具体为 pp→H→hh→τ+τ-τ+τ-→l±vvl±vvτjτj(l=e,µ)的信号过程。在考虑了2HDM Type⁃X理论的限制和过去实验约束条件的基础上,确定了测试参数空间,通过对比信号显著性,发现在选取的BPs下,存在着探测到4τ这一末态信号的极大可能性,为对撞机实验提供更可靠的结果。

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国家自然科学基金资助项目“LHC时代带电希格斯粒子的综合研究”(12275143)

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