Searches for signatures of an extended Higgs sector in final states with leptons and Higgs to bb decays at CMS

The Standard Model (SM) of elementary particles, a model experimentally verified to an un-precedented level of accuracy, foresees the existence a scalar particle, the so-called Higgs boson, that breaks the electroweak symmetry and explains the non-null value of fermion masses. The pursue of the Higgs boson has been carried out by several experiments at the LEP II and Tevatron colliders in the past, but unsuccessfully. However, during the year 2011, the ATLAS and CMS experiments at LHC began to observe some evidence of the elusive particle, finally confirming the discovering in 2012. Even if the Higgs boson and its observed properties represent a triumph for the Standard Model, there are many unresolved phenomena that the SM cannot explain. Several extensions have been proposed; some of the most relevant foresee several Higgs bosons instead of only one. After the commissioning of the LHC collider in 2011 and the first evidences of a light scalar boson, one of the fundamental questions to be answered was whether the new particle was the SM Higgs boson, or the lightest among the bosons foreseen by the theories extending the SM. The confirmation could come from the measurements of the Higgs couplings to the SM particles, or alternatively from the observation of new production processes and decays not predicted by the SM, or measured at a different rate. The associated production with b quarks of a Higgs boson, and its decay into pairs of b quarks, is a process with a small predicted cross section in the SM, and its observation would imply the presence of new physics. Previous searches at the Tevatron collider reported a slight excess in this channel. Afterwards the discovery of the Higgs boson in July 2012 by the CMS and ATLAS experiments, the knowledge of the properties of the Higgs boson and its mass become a valuable handle to increase the sensitivity of new physics searches. One of the most beneficial channels is the search of a heavy pseudoscalar A, and its decay into a Z boson and a light Higgs boson h, the latter assumed to be the recently-discovered 125 GeV boson. The Z boson is sought in its decay into a pair of electrons or muons, and the Higgs into a pair of b quarks. This channel, not predicted by the SM, probes a region in the parameter phase-space of beyond the SM theories which is, to some extent, complementary to the one of the multi-b search.

Il modello standard (SM) delle particelle elementari, verificato sperimentalmente ad alta precisione, prevede l’esistenza di una particella scalare, il bosone di Higgs, grazie al quale avviene la rottura di simmetria elettrodebole ed è possibile spiegare le masse non nulle dei fermioni. La ricerca del bosone di Higgs è stata perseguita in passato da diversi esperimenti ai collisori LEP II e Tevatron, ma sempre con esito negativo. Solo nell’anno 2011, all’acceleratore LHC gli esperimenti ATLAS ed CMS hanno cominciato ad osservare le prime evidenze dell’elusiva particella, per poi confermane definitivamente la scoperta nel 2012. Tuttavia, pur essendo l’esistenza e le caratteristiche osservate del bosone di Higgs l’ennesima verifica sperimentale della validità del modello standard, esistono fenomeni naturali che esso non è in grado di spiegare, come ad esempio la massa dei neutrini o la materia oscura. Diverse estensioni del modello standard sono state proposte; diverse tra le più accreditate prevedono non uno, ma più bosoni. Con l’entrata a regime di LHC nel 2011 e le prime evidenze di un bosone di Higgs, una delle domande fondamentali a cui dare risposta era se il segnale che si stava osservando fosse dovuto al bosone di Higgs dello SM, oppure al più leggero dei diversi bosoni previsti dalle teorie oltre il modello standard. La risposta poteva venire sia dalla misura degli accoppiamenti dell’Higgs alle particelle dello SM, sia osservando processi e decadimenti non previsti dallo SM, o misurati con una frequenza maggiore dell’atteso. La produzione di un bosone di Higgs in associazione con quarks b, e il suo successivo decadimento in una coppia di quark b, è un processo difficilmente osservabile nel modello standard, pertanto la sua osservazione averebbe significato la presenza di nuova fisica. Precedenti ricerche a Tevatron hanno evidenziato un lieve eccesso in questo canale. In seguito alla scoperta del bosone di Higgs nel Luglio 2012 da parte degli esperimenti CMS e ATLAS, la conoscenza delle proprietà di questa particella, ivi compresa la sua massa, diventano informazioni che possono essere utilizzate per aumentare la sensibilità a ricerche di processi di nuova fisica. Uno dei canali che beneficia di questa informazione è la ricerca di un bosone pseudoscalare A, in particolare nel suo decadimento in un bosone Z e un bosone di Higgs leggero h, che si assume essere quello di massa 125 GeV recentemente scoperto. Lo stato finale consiste in una coppia di elettroni o muoni originati dal decadimento del bosone Z, e una coppia di quark b dal decadimento dell’Higgs. Questo canale, non previsto dallo SM, permette di sondare una regione dello spazio dei parametri di teorie oltre il modello standard per certi versi complementare a quella del canale con molti b nello stato finale.