Yoshitaro  Takaesu                      U.  of  Tokyo  

LHC  limits  on  the  Higgs-­‐portal  models  

arXiv:  1407.XXXX  in  collabora2on  with  M.  Endo  (U.Tokyo)

Portal  models  to  Hidden  Sector

2

Consider  another  world  where  par2cles  are  SM  singlets  (Hidden  Sector).

The  par2cles  interacts  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  par2cle

Higgs  invisible  decay

SM Hidden G

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

Constraints  on  Higgs-­‐portal  DM  models

3

•  Relic  abundance  •  Direct  detec2on  •  Collider  search

�

�

� �

�

�

Tight  constraints  on  Higgs-­‐portal  DM.    S2ll  important  to  know  to  what  extent    “LHC”  can  explore  the  heavier  Higgs-­‐portal  models.  

Heavy  Higgs-­‐portal    DM    search

[Simone,  Giudice,  Strumia:  1402.6287]

WIMP

Collider  search  of  Heavy  Higgs-­‐potal  WIMP  

4

Direct  searches  for  Higgs  invisible  decay  at  the  LHC

5

�

�

Vector  Boson  Fusion  (VBF)

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

��

Z  associated  producNon  (ZH)

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

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

•  Good  S/B  (Z-­‐mass  constraint,  2-­‐lepton  +missing)  •  Cross  sec2on  is  small  •  Useful  for  high  luminosity  

•  2nd  largest  Higgs  produc2on  process  •  Good  S/B  (large  rapidity  gap  of  2  energe2c  forwarding  jets)  

 SM  predic2on:     BR(H � ZZ � 2�2�) � 0.1%Sizable  BR_inv  is  an  evidence  of  BSM  models!

Higgs  producNon  Cross  SecNons

Gluon-­‐fusion

VBF

WH

ZH

Mono-­‐X  searches  

7

Mono-­‐X  searches  (X  +missing  pT)  are  also  sensi2ve    to  Higgs-­‐portal  models.

Mono-­‐jet  

 

•  Large  Cross  sec2on  •  Main  mono-­‐X  mode  so  far  •  S/B  is  not  good  •  Gluon-­‐fusion  Higgs  produc2on  

Mono-­‐Z  

•  S/B  is  good                  (Z-­‐mass  constraint)  •  Cross  sec2on  is  small  •  Useful  for  high  luminosity  •  ZH  produc2on  

Mono-­‐lepton  

•  S/B  is  good                (but  no  W-­‐mass  constraint)  •  Cross  sec2on  is  small                  (but  larger  than  mono-­‐Z)  •  Useful  for  high  luminosity  •  WH  produc2on  

We  will  inves2gate  the  constraints  of  the  LHC  invisible  searches  on  Heavier  Higgs-­‐portal  WIMP  models.

Higgs-­‐portal  models  to  be  studied

9

Scalar

Vector

AnN-­‐sym.  Tensor  (transverse)

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

ajer  EWSB

Fermionic  hidden  par2cle  is  not  considered  for  simplicity.

(SM  singlet                    has  only  the  Higgs-­‐portal  interac2on.  )               Bµ�

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

[O.Cata,  A.  Ibarra:  1404.0432]

Cross  secNon  of  WIMP-­‐pair  producNon

10

We  can  express  the  WIMP  produc2on  cross  sec2on  as

This  is  the  basic  formulae  for  our  analysis.  

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  produc2on  topology.

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

First  VBF  for  BR_inv

Mono-­‐jet  analysis

13

pp� H�j � ��jWe  would  like  to  evaluate  the  cross  sec2on  at  least  NLO  QCD  order.  However,  NLO  cross  sec2ons  are  only  known  in                                            limit.  mt ��

We  approximate  the  NLO  cross  sec2on  as  

LO   K-­‐factor K-­‐factor

[R.V.Handler  et  al.  1206.0157]  

[L.Altenkamp  et  al.  1211.5015]  

�

�

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.  )

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

��

8  TeV  LHC  constraints

16

Limits  for  the  Heavy  Higgs-­‐portal  WIMPs

17

�S =c2Sv2

8�mH

�

1� 4m2S

m2H

�B =c2Bv2

4�mH

m4H � 4m2

Hm2B + 6m4

B

m4B

�

1� 4m2B

m2H

�V =c2V v2

32�mH

m4H � 4m2

Hm2V + 12m4

V

m4V

�

1� 4m2V

m2H

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

VBFMono-jetMono-Z

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

VBFMono-jetMono-Z

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

VBFMono-jetMono-Z

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

0.1

0.2

0.5

1

2

5

10

50 100 150 200 250 300

c χ

mχ [GeV]

Tensor Vector

Scalar

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

14  TeV  LHC  prospects

18

How  to  perform  (theorist’s)  projecNon

19

We  need  to  know                            and                        to  es2mate  the  14  TeV  constraints  on              .  

N limsig

���c�

c2�(m�) <

N limsig

���(m�, c� = 1)L

                       is  roughly  es2mated  with  the  following  assump2ons:   N limsig

95%  CL                                                            (simple  Gaussian)  

�sysBG does  not  improve  

�statBG reduces  as    

N limsig � 2�BG

1/�

NBG

NBG increases  due  to  PDF  (luminosity  ra2o)  and  integrated  luminosity   L

��� is  es2mated  by  theore2cal  calcula2ons  with  experimental  cuts.

8TeV  data

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  Sec2ons  at  14  TeV

Cx  <  1  (100  1/a)

Cx  <  0.2  (100  1/a)

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

Mono-­‐jet  SensiNvity

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  Es2mate

Tensor

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  Sec2ons  at  14  TeV

(L = 100 fb�1)N lims (�pT > 450) � 5

pp� ZH� � Z��

VBF  and  ZH  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  ra2o  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

(s̃�m2H)2 + �2

Hm2H

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

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

c�

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

 Profile-­‐based Cut-­‐based

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

24

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)  

m� = 70GeV

MJ MZ VBF     MJ MZ VBF MJ MZ VBF

*  Rough  Es2mate

Tensor

MJ MZ VBF

clim �

Summary  

25  

LHC  constraints  on  the  Heavy  Higgs-­‐portal  models    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  channel  will  also  be  a  leading  channel  in  14  TeV  LHC.