津村浩二 (名古屋大学)

津村浩二
(名古屋大学)
富山ヒッグス勉強会
2/6/2012
Multi-tau-lepton signatures at the LHC in the two Higgs doublet model
S. Kanemura, KT, H. Yokoya, Phys. Rev. D85 095001 (2012)
レプトンと強く結合するスカラーボソン
 ニュートリノ極小質量

Tree level seesaw (Type-II)

Radiative seesaw (Zee, Zee-Babu, Ma,…)
これらの模型は新しいスカラーボソンを導入
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2
レプトンと強く結合するスカラーボソン
SM Prediction
SM
= QED + EW + Had (LO + HO + HLbL)
 ミューオン磁気双極子モーメント
Exp:
W, Z, H
γ
had
had
QED
EW
Had(VP)
Had(LbL)
新しい軽いスカラーがあれば大きな寄与がだせる
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レプトンと強く結合するスカラーボソン
 電子陽電子余剰の問題
HESS, AT IC, PPB-BET S and FermiLAT
AM S, HEAT , PAM ELA Posit ron Excess ? e− + e+ excess ?
1
0.1
Moskalenko and Strong, Apj, 1998
HESS:08
ATIC:08
PPB-BETS:08
HESS:09
Fermi:09
2
-2 -1
-1
3
E F(e-+e+)(GeV cm s Sr )
Fe+ /Fe+ + Fe-
AMS
Moskalenko and Strong: Apj, 1998 & Baltz and Edsjo, PRD,1999
HEAT
PAMELA
0.1
0.01
Background ?
Background ?
0.01
1
10
100
1000
0.001
E(GeV)
1
10
100
E(GeV)
1000
新しいレプトンと強く結合するスカラーがメッセンジャーとなる
DM
DM
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lepton
lepton
4
湯川相互作用による模型の分類

一般的な2HDM (two Higgs doublet model)
同時対角化出来ない二つの湯川を持つ


ツリーレベルのフレーバーを破る中性カレントを生じる（危険！）。
これを避けるために Z2 対称性を課す
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5
2HDMは低エネルギー有効理論

４つの独立なZ2電荷のとり方
 Type-II:
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超対称模型のヒッグスセクター
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2HDMは低エネルギー有効理論

Type-X:ヒッグスはクオークとレプトンを区別

各種問題の解:
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2HDMは低エネルギー有効理論

Type-X:ヒッグスはクオークとレプトンを区別

各種問題の解:
レプトン（タウ）と強く結合するスカラーが鍵
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2HDM

Z2をソフトに破る 2HDMのポテンシャル

５つの物理的ヒッグス (CP保存を仮定)

（標準模型的極限での）質量スペクトル
これらの他に sin(b-a), tanb が動かせるパラメータ
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
S標準模型的極限[sin(b-a)=1]

“h” behaves as the SM Higgs boson

“H, A, H+” behave as
”scalar” boson
Today’s main interest!!
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Type-X 湯川相互作用

Type-X 模型では付加的なスカラー (H,A,H+) の相互作用は
tanb = < F2 >/< F1 > で増幅される
SM-like
SUSY-like
Type-X: （タウ）レプトンと強く結合
tanb>3
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2HDMでのスカラー崩壊
Aoki, Kanemura, Tsumura, Yagyu, PRD80, 015017 (2009)
(SUSY-like)
100%
100%
10%
10%
1%
1%
0.1%
0.1%

2HDM-X(+ large tanb)では：

99%以上の H/A が tt 崩壊

無視できない程度の mm [ (mm/mt)2=1/300 ] 崩壊
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直接探査の制限～１００GeV＠LEP
クオーク物理からの制限はほぼなし
For large tanb
タウの崩壊データから弱い制限
For large tanb
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レプトンと強く結合する2HDM @ LHC

Kanemura, Tsumura, Yokoya
DY生成とレプトンへの崩壊
多重タウレプトンシグナル
4t: 99%以上
2m2t: s(4t) x 1/300 x 2!
LHC 14TeV
100fb
AH
10fb
断面積の大きさ O(10-100)fb
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AH+
AH-
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期待される終状態
e
τ
μ
or
τh
• H/A は９９％以上タウに崩壊 w tanb>3
τ+
H
τ-
τ+
A
4τh
τh
τh
τh
τh
3τh 1L
τh
τh
τh
L
2τh 2L
τh
τh
L
L
1τh 3L
τh
L
L
L
4L
L
L
L
L
τ-
•今日は４タウハドロンモードに集中
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L
=
e
μ
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解析のポイント

スカラーの質量 mH=130GeV & mA=170GeV [断面積50fb]

考慮したBG [VV(107pb), ttbar(492pb), DY(30nb)]
FastJet, TAUOLA, PYTHIA, MG5 を利用、 jetの定義:anti-kT w R<0.4
 タウのハドロン崩壊の同定

1 or 3 個の荷電ハドロンを要求 (1- & 3-prong)
 細いジェットコーン
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R<0.15 (95% of ET)
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τh
τh
τh
τh
(an example)
イベント数は L=100 [fb-1] で規格
Pre-selection: 4 th
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τh
τh
τh
τh
(an example)
多重タウハドロンジェットの要求でBGが落ちる
High pT cut: VV
イベント数は L=100
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[fb-1]
で規格
Pre-selection: 4 th
pT cut: DY
HTjet cut: ttbar
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τh
τh
τh
τh
(an example)
カットで更に最適化、他のチャンネルも使える。
イベント数は L=100 [fb-1] で規格
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τh
τh
τh
τh
τh
τh
τh
L
τh
τh
L
L
τh
L
L
L
L
L
L
L
19
τh

τh
τh
τh
(an example)
イベント数は L=100 [fb-1] で規格
コメント:

タウ崩壊はニュートリノを放出するので不変質量の構成は難しい

しかしながら、４つのタウから正しい組み合わせの不変質量を取り出す
ことが出来ればそのエンドポイントから質量の情報が得られる。
mH=130GeV & mA=170GeV
４つのタウジェットから横運動量のベクトル和が最大になる組み合わせを指定した
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まとめ
 レプトンと強く結合する
2HDM-X

軽いスカラーボソンが実験的に許されている

スカラーボソンは９９％以上タウレプトン対に崩壊
 多重タウレプトンはLHCにおいて
非常にきれいなシグナル
τh
τh
τh
τh
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Backup
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2 m - 2 t signature
L
occasionally, H/A decay into muons;
=
e
μ
τ+
H
τμ+
A
2τh 2μ
τh
τh
μ+
μ-
1τh 1L 2μ τh
L
μ+
μ-
2L 2μ
L
μ+
μ-
L
μ-
Small branching ratio, but clean signatures
of dimuon with sharp resonance peak.
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μ
μ
τh
τh
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]
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μ
μ
τh
τh
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]
→ dimuon
peaks
• perform selection cuts to enhance signal/background ratio
before cuts s/b < 10-2, but ~ 3 after cuts
pT cut: DY
Numbers are for L=100
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[fb-1]
HTjet cut: ttbar
InvMass cut: VV
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μ

μ
τh
τh
Numbers are for L=100 [fb-1]
Dimuon inv. mass dist.
(H,Amm) around M=130GeV,170GeV
Sharp
peaks
Broad
dist. from muonic tau decay
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(an example)
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(4t2m2tj)
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Event by event determination of HA pair

t-t inv. Mass can be reconstructed !!

Collinear approx.
n from energetic t decay is along with charged track (tj)

t mom. can be determined from taujet and
missing pT
No missing other than tau decays
2 unknown (c1 & c2) are calculated by solving simultaneous 2 eqs.
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μ

μ
τh
τh
Taujet inv. Mass and Tau inv. Mass
Sharp
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peaks
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]
(H,Att) around M=130GeV,170GeV
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μ
 Less
μ
τh
τh
(an example)
# of events
under the collinear approx.
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μ
μ
τh
τh
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]

Several channels can be combined
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τh
τh
μ+
μ-
τh
L
μ+
μ-
L
L
μ+
μ30
μ

μ
τh
τh
(an example)
2D inv.-mass
distributions
of Mμμ vs. Mττ
direct probe
of Higgs pair
Numbers are for L=100 [fb-1]
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 標準模型的極限
[sin(b-a)=1]

“h” は標準模型的ヒッグスとして振る舞う

“H, A, H+” は付加的なスカラーとして振る舞う
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Direct search limit
Direct search bounds are below 100 GeV
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t leptonic decay
LEP
Type-II, X
Type-I, Y
milder bounds for Type-II and -X
mH+ ~ 100GeV is allowed for Type-X
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B→tn

Only W boson contributes B → t n in the SM

In 2HDMs,
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H+ contrib. can be important!
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B → t n in 2HDMs

Experimental limit:
Large deviations from the SM can be constrained.
In particular, Type-II 2HDM with large tanb.

In 2HDMs, H+ contrib. can be important!
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B → t n in 2HDMs
Type-II
well known stringent constraint
on SUSY charged Higgs
Type-X, Y
Type-I
This constraint is only applicable for 2HDM-II
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One-loop: b → s g

B → s g is one of important observable.
Although 1-loop, but enhanced by mt
In addition to C7W (SM W boson loop),
Type-II, Y
almost tanb independent contrib.
Type-I, X
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One-loop: b → s g
Type-II, Y
almost tanb independent contrib.
Excluded by b
→sg
chargino-stop loop can cancel this contrib.
 Light charged Higgs is still possible in MSSM.
This constraint is applicable for 2HDM-II & -Y
Type-I, X
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Framework of Event analysis

Signal/BG(VV,ttbar,DY) are generated by PYTHIA and MG5
50fb for mH=130GeV & mA=170GeV/107pb, 492pb, 30nb

jets (anti-kT alg. with R<0.4)
 tj
= taujet: |h|<2.5, pT>10GeV
Identification; 1 or 3 charged hadrons (1- & 3-prong)
narrow cone R<0.15 (95% of ET)
leptonic
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1-prong
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3-prong
40
τh
τh
τh
τh
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]
Pre-selection: 4 th
Reject VV, ttbar, DY backgrounds
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τh
τh
τh
τh
(an example)
Numbers are for L=100 [fb-1]
Pre-selection: 4 th
Reject VV, ttbar, DY backgrounds
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Tau-lepton decays and signals
τ
• Leptonic decay ~ 35%
• Hadronic decay ~ 65%
1-prong tau decay :
3-prong tau decay :
• Tau-jet identification at colliders
1 or 3 charged hadrons in a collimation cone (R~0.15),
with isolation cone around that (R~0.5).
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e
μ
or
τh
arXiv:1108.2016
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Tau tagging efficiency
and mis-ID probability
finding efficiency ~ 0.8,
with mis-ID prob. ~ 0.1
(for the 1/3 track(s) jets)
easier than finding b-tagged jets
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2HDMは低エネルギー有効理論

Type-X:ヒッグスはクオークとレプトンを区別

ゲージ化されたタイプIIIシーソー模型
異常項の相殺から自動的に要請される
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