German Title: Neue Erkenntnisse über modifizierte Higgs-Sektoren und exotische Higgs Zerfälle

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Abstract

In the context of models with modified Higgs sectors, we examine different possible causes for a systematic absence of new physics from current searches at the Large Hadron Collider (LHC). First, having in mind the lack of clear signs for supersymmetry, we consider theories based on classical scale invariance as an alternative approach towards addressing the gauge hierarchy problem. Within the aforementioned framework, we present a systematic analysis of simple Standard Model (SM) extensions. As a result, we identify the minimal model, which allows for radiative electroweak symmetry breaking, is consistent with all current experimental constraints and does not reintroduce any fine-tuning issues. Next, given that very light scalar particles as predicted by several well-motivated beyond-the-SM theories have not yet been detected either, we propose a novel search strategy based on exotic Higgs decays into three of these light scalars. We show that said processes can be abundant enough to be observable at the LHC or future lepton colliders in exciting new signatures containing six SM fermions in the final state. In particular, we demonstrate the three-body channel's capabilities in probing scenarios which are inaccessible to existing searches exclusively relying on the related two-body Higgs decay. Our last study is motivated by the fact that new physics may manifest itself only through effects which are out of the LHC's reach due to the large amounts of hadronic background. As an example, we consider quark-flavor-violating Higgs decays involving bottom quarks and evaluate the expected sensitivity of direct searches at the proposed International Linear Collider (ILC). In doing so, we identify hadronic SM Higgs decays with mistagged jets as the dominant background processes and find that a dedicated analysis is anticipated to explore branching ratios down to the per-mill level.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen von Modellen mit modifizierten Higgs-Sektoren untersuchen wir verschiedene mögliche Ursachen für eine systematische Abwesenheit neuer Physik von entsprechenden Suchen am Large Hadron Collider (LHC). Angesichts des Fehlens klarer Hinweise auf Supersymmetrie betrachten wir als Erstes klassisch skaleninvariante Theorien, die einen alternativen Zugang zur Lösung des Hierarchieproblems darstellen. Innerhalb solcher Theorien führen wir eine systematische Studie einfacher Standardmodell (SM) Erweiterungen durch. Somit können wir das minimale Modell identifizieren, welches radiative elektroschwache Symmetriebrechung erlaubt und vereinbar mit allen experimentellen Schranken ist, ohne dabei ein Feinabstimmungsproblem wiedereinzuführen. Auch leichte skalare Teilchen, deren Existenz von etlichen gut motivierten Modellen jenseits des SM vorhergesagt wird, konnten bisher nicht gefunden werden. Daher schlagen wir als Nächstes eine neue Suchstrategie vor, die auf exotischen Higgszerfällen in drei dieser leichten Skalare basiert. Wir finden, dass besagte Prozesse häufig genug vorkommen können, um am LHC oder zukünftigen Leptonbeschleunigern in neuen, spektakulären Signaturen mit sechs SM Fermionen im Endzustand beobachtet zu werden. Insbesondere zeigen wir, dass der Drei-Körper-Zerfall Szenarien testen kann, die für bestehende Suchen, welche ausschließlich auf dem verwandten Zwei-Körper-Zerfall beruhen, unzugänglich sind. Unsere letzte Studie ist dadurch motiviert, dass neue Physik sich möglicherweise nur durch solche Signaturen manifestiert, welche wegen des vielen hadronischen Untergrundes am LHC nicht nachweisbar sind. Als Beispiel betrachten wir Quark-Flavor-verletzende Higgszerfälle mit Bottom-Quarks und bestimmen die erwartete Sensitivität direkter Suchen am geplanten International Linear Collider (ILC). Dabei erkennen wir hadronische SM Higgszerfälle mit falsch identifizierten Jets als die dominanten Untergrundprozesse und finden, dass eine geeignete Analyse es erlauben wird, Verzweigungsverhältnisse im Promillebereich zu prüfen.