lhc limits on the higgs-portal wimps

25
Yoshitaro Takaesu U. of Tokyo LHC limits on the Higgsportal WIMPs arXiv: 1407.6882 in collabora5on with M. Endo (U.Tokyo)

Upload: yoshitaro-takaesu

Post on 12-Feb-2017

213 views

Category:

Science


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Yoshitaro  Takaesu                      U.  of  Tokyo  

LHC  limits  on  the  Higgs-­‐portal  WIMPs  

arXiv:  1407.6882  in  collabora5on  with  M.  Endo  (U.Tokyo)

Page 2: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Portal  models  to  Hidden  Sector

2

Consider  another  world  where  par5cles  are  SM  singlets  (Hidden  Sector).

The  par5cles  interact  to  our  SM  world  through  Gravity.

Also,  they  may  interact  through…

DM  ?

HL�

FYµ�Xµ�

1fS

Fµ�F̃µ�S

|H|2S2

Neutrino  Portal

Vector  Portal

Axion  Portal

Higgs  Portal

Sterile  neutrino

Dark  Photon

Axino-­‐like  par5cle

Higgs  invisible  decay

SM Hidden G

In  this  talk,  we  discuss  the  Higgs-­‐portal  possibility.

Page 3: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Constraints  on  Higgs-­‐portal  models

3

•  Relic  abundance  •  Direct  detec5on  •  Collider  search

� �

Tight  constraints  on  Higgs-­‐portal  “DM”.    S5ll  important  to  know  to  what  extent    LHC  can  explore  the  heavier  Higgs-­‐portal  models.  

Heavy  Higgs-­‐portal  WIMP  search

[Simone,  Giudice,  Strumia:  1402.6287]

Need  not  to  be  the  DM

Page 4: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Collider  search  for    Heavy  Higgs-­‐portal  WIMP  

4

Page 5: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Higgs-­‐portal  models  to  be  studied

5

Scalar

Vector

AnI-­‐sym.  Tensor  

S, Vµ, Bµ� are  SM  singlets.    

parity  is  assumed  for            and              to  ensure  their  stability.          

m2B = M2

B + 4cBv2m2V = M2

V + 2cV v2m2S = M2

S + 2cSv2

LV = �14V µ�Vµ� +

12M2

V V µVµ + cV |H|2V µVµ � �V (V µVµ)2

LB =14��Bµ���Bµ� �

12�µBµ���B

�� � 14M2

BBµ�Bµ� � cB |H|2Bµ�Bµ�

� �BBµ�B��B��B�µ

LS =12�µS�µS � 1

2M2

SS2 � cS |H|2S2 � �SS4

Z2 S Vµ

a^er  EWSB

Fermionic  hidden  par5cle  is  not  considered  for  simplicity.

(SM  singlet                  is  stable  without  imposing              parity  by  hand)               Bµ�

[A.  Djouadi  et  al.1205.3169,  S.Kanemura  et  al.1005.5651  ]  

[O.Cata,  A.  Ibarra:  1404.0432]

Z2

Page 6: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Cross  secIon  of  WIMP-­‐pair  producIon

6

We  can  express  the  WIMP  pair  produc5on  cross  sec5on  as

This  is  the  basic  formulae  for  our  analysis.  

��s̃

�S(�

s̃,mS ; cS) =c2S

8�

v2

�s̃

�1� 4m2

S

�V (�

s̃,mV ; cV ) =c2V

32�

v2

�s̃

s̃2

m4V

�1� 4m2

V

s̃+

12m4V

s̃2

� �1� 4m2

V

�B(�

s̃,mB ; cB) =c2B

4�

v2

�s̃

s̃2

m4B

�1� 4m2

B

s̃+

6m4B

s̃2

� �1� 4m2

B

Page 7: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Experimental  searches  

7

•  VBF  Higgs  invisible  decay  •  Mono-­‐jet    •  Mono-­‐Z

Page 8: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Higgs  producIon  Cross  SecIons

Gluon-­‐fusion

VBF

WH

ZH

Page 9: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Searches  for  Higgs  invisible  decay  at  the  LHC

9

Vector  Boson  Fusion  (VBF)

BR_inv  <  0.65  [CMS:  8TeV  19.5  j^-­‐1:  1404.1344]  

��

Z  associated  producIon  (ZH)

BR_inv  <  0.75  [ATLAS:  8TeV  20.3  j^-­‐1:  1402.3244]  

BR_inv  <  0.81  [CMS:  8TeV  19.5  j^-­‐1:  1404.1344]  

•  Good  S/B  (Z-­‐mass  constraint,  2-­‐lepton  +missing)  •  Cross  sec5on  is  small  (Useful  at  high  luminosity)  

•  2nd  largest  Higgs  produc5on  process  •  Good  S/B  (large  rapidity  gap  of  2  energe5c  forwarding  jets)  

Page 10: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐X  searches  

10

Mono-­‐X  searches  (X  +missing  pT)  are  also  sensi5ve    to  Higgs-­‐portal  models.

Mono-­‐jet  

 

•  Large  Cross  sec5on  •  Main  mono-­‐X  mode  so  far  •  S/B  is  not  good  •  Gluon-­‐fusion  Higgs  produc5on  

Mono-­‐Z  

•  Same  topology  as  ZH                for  Higgs-­‐portal  model  

Mono-­‐lepton  Mono-­‐photon  Mono-­‐top  Mono-­‐Higgs    etc  …  

Page 11: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Analysis  Details  

11

•  VBF  Higgs  invisible  decay  •  Mono-­‐jet    •  Mono-­‐Z

*  ZH,  mono-­‐lepton  results  (profile-­‐based)  will  not  be  used              since  they  rely  on  the  on-­‐shell  Higgs  produc5on  topology.

Page 12: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

VBF  analysis  (CMS                              ,  1404.1344)

12

We  calculate                                                                                                              under  the  following  cuts  (w/  MCFM-­‐6.8):  

Compare  to  the  upper  bound  on  the  signal  events.

N lims = 210� 0.65 � 137

95%  CL  upper  bound

�H(pp� jj H;mH)

19.5 fb�1

pp� H� jj � �� jj

c2�(m�) <

N lims

���(m�, c� = 1)L

���(m�, c�)L < N lims

Page 13: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐jet  analysis

13

pp� H�j � ��jWe  would  like  to  evaluate  the  cross  sec5on  at  least  NLO  QCD  order.  However,  NLO  cross  sec5ons  are  only  known  in                                            limit.  mt ��

We  approximate  the  NLO  cross  sec5on  as  

LO   K-­‐factor K-­‐factor

[R.V.Handler  et  al.  1206.0157]  

[L.Altenkamp  et  al.  1211.5015]  

Page 14: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐jet  analysis  (CMS-­‐PAS-­‐EXO-­‐12-­‐048                                    )  

14

pp� H�j � ��j

We  calculate                                                                                                            under  the  following  cuts  (w/  MCFM-­‐6.8):   �NLOH (pp� jH;mH)

pTH > 450 GeV (for �LO(mt))

pTH > mH/2 (for K factor)

pTj1 > 110 GeV, |�j1 | < 2.4

•  Taming  the  infinite  top  mass  effects  •  Avoiding  large                                                                region     log(mH/pTH)

giving  the  most  stringent  limit

19.5 fb�1

(*  2nd  jet  with  pT  >  30  GeV  (from  NLO  real  emission)  is  not  vetoed,  due  to  technical  reason.  )

Page 15: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐Z  analysis  (ATLAS                                ,  1404.0051)

15

We  calculate                                                                                                            under  the  following  cuts  (w/  HAWK-­‐2.0):   �H(pp� ZH;mH)

20.3 fb�1

pµT > 20 GeV, |�µ| < 2.5

peT > 20 GeV, |�e| < 2.47

76 GeV < mll < 106 GeV|�ll| < 2.5

�pT > 150 GeV giving  the  most  stringent  limit

��

Page 16: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

8  TeV  LHC  constraints

16

Page 17: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

�S(�

s̃,mS ; cS) =c2S

8�

v2

�s̃

�1� 4m2

S

�V (�

s̃,mV ; cV ) =c2V

32�

v2

�s̃

s̃2

m4V

�1� 4m2

V

s̃+

12m4V

s̃2

� �1� 4m2

V

�B(�

s̃,mB ; cB) =c2B

4�

v2

�s̃

s̃2

m4B

�1� 4m2

B

s̃+

6m4B

s̃2

� �1� 4m2

B

Limits  for  the  Heavy  Higgs-­‐portal  WIMPs

17

Tensor Vector

Scalar

                           Data  :  BG                        VBF        390  :  332(58)      Mono-­‐jet    1772  :  1931(131)          Mono-­‐Z            45  :  52(18)  

Page 18: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

14  TeV  LHC  prospects

18

Page 19: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

How  to  perform  (rough)  projecIon

19

We  need  to  know                            and                        to  es5mate  the  14  TeV  constraints  on              .  

N limsig

���c�

c2�(m�) <

N limsig

���(m�, c� = 1)L

                       is  roughly  es5mated  with  the  following  assump5ons:   N limsig

95%  CL                                                            (simple  Gaussian)  

Rela5ve                      does  not  improve  

Rela5ve                          reduces  as                                        . 1/�

NBG

NBG increases  due  to  PDF  (luminosity  ra5o)  and  integrated  luminosity   L

��� is  es5mated  by  theore5cal  calcula5ons  with  experimental  cuts.

�sys

�stat�

�stat

NBG

14TeV

=

�N8TeV

BG�N14TeV

BG

��stat

NBG

8TeV

N limsig � 2�tot

�tot =�

�2sys + �2

stat

��sys

NBG

14TeV

=�

�sys

NBG

8TeV

Page 20: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐jet  channel:  14  TeV  LHC

20

1

10

100

1000

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DMpTcut = 400 GeV

600 GeV800 GeV

1

10

100

1000

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DM Vector DMpTcut = 400 GeV

600 GeV800 GeV

1

10

100

1000

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DM Vector DM

Scalar DMpTcut = 400 GeV

pp� H�j � ��j Cross  Sec5ons  at  14  TeV

Cx  <  1  (100  1/j)

Cx  <  0.2  (100  1/j)

N lims (�pT > 400) � 2000 (L = 100 fb�1)

Page 21: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐jet  SensiIvity

21

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

8  

Tensor   Vector   Scalar  

Mono-­‐J  8TeV  

14TeV  400  (100)  

400  (3,000)  

600  (100)  

600  (3,000)  

VBF  8TeV  

14TeV  (100)  

ZH  8TeV  

14TeV  (300)  

14TeV    (3,000)  

clim �

m� = 70GeV�pcut

T (L)

*  Rough  Es5mate

Tensor

Page 22: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Mono-­‐Z  channel:  14  TeV  LHC

22

0.01

0.1

1

10

100

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DMpTcut = 150 GeV

250 GeV350 GeV450 GeV

0.01

0.1

1

10

100

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DM Vector DMpTcut = 150 GeV

250 GeV350 GeV450 GeV

0.01

0.1

1

10

100

65 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Cros

s Sec

tion

/ c2 χ [

fb]

mχ [GeV]

Tensor DM Vector DM

Scalar DMpTcut = 150 GeV

250 GeV350 GeV450 GeV

Cross  Sec5ons  at  14  TeV

(L = 100 fb�1)N lims (�pT > 450) � 5

pp� ZH� � Z��

Page 23: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

VBF  channels

23

[5]  ATLAS,  1402.3244  [6]  CMS,  1404.1344    [16]  D.Gosh  et  al.,  1211.7015  [17]  ATL-­‐PHYS-­‐PUB-­‐2013-­‐014    [18]  Snowmass,  1309.7925    

95%  Upper  bounds  on  the  Higgs  inv.  decay  ra5o  at  mH  =  125  GeV

The  VBF  bound  will  be  improved  by  a  factor  of  4  at  mH  =  125  GeV.  

���

The  Upper  bound  on                improves  a  factor  of  2.   c�

��� =� �

4m2�

ds̃

2��H(s̃)��(s̃)

2�

(s̃�m2H)2 + �2

Hm2H

The  ZH  bound  will  be  improved  by  a  factor  of  2  ~  4  (300  1/j)  and  4  ~  12  (3,000    1/j).  

The  Upper  bound  on                will  be  improved  by                    a  factor  of  1.5  ~  2  (300  1/j)  and  2  ~  3.5  (3,000  1/j).  

c�

 If  this  level  of  improvement  holds  for  any  mH,              the  Upper  bound  on                          improves  a  factor  of    4.    

 Profile-­‐based Cut-­‐based

Page 24: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

0  

2  

4  

6  

8  

10  

12  

Tensor   Vector   Scalar  

Mono-­‐J  8TeV  

14TeV  400  (100)  

400  (300)  

600  (100)  

600  (300)  

Mono-­‐Z  8TeV  

14TeV  450  (100)  

450  (300)  

VBF  8TeV  

14TeV  (100)  

SensiIvity  Summary  (Mono-­‐j,  VBF,  Mono-­‐Z)

24

clim �

m� = 70GeV

MJ MZ VBF     MJ MZ VBF MJ MZ VBF

*  Rough  Es5mate

Tensor

MJ MZ VBF

Page 25: LHC limits on the Higgs-portal WIMPs

Summary  

25  

LHC  constraints  on  the  Heavy  Higgs-­‐portal  WIMP    have  been  Studied.

8  TeV  LHC  results  can  access    the  Higgs-­‐portal  couplings  below  1  for  the  vector  and  tensor  case.  Scalar  coupling  limit  is  very  weak.  

14  TeV  LHC  can  reach  at  O(0.1)  couplings    for  vector  and  tensor  case.  The  scalar  coupling  below  O(1)  will  be  remained  unexplored.  

VBF  channel  already  shows  good  performance  in  8  TeV  LHC,        replacing  the  mono-­‐jet  channel.  ZH,  Mono-­‐Z  channel  will  also  be  a  important  channel  in  14  TeV  LHC.