[論文レビュー] BSM Higgs Studies at the LHC in the Forward Proton Mode

S. Heinemeyer, V. A. Khoze+3 more|ArXiv.org|Sep 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける前方陽子検出器を用いた、BSMヒッグスボソンの中心的排他的弾性（CED）生成を調査する。これにより、高分解能の質量測定と正確な結合定数の決定が可能となる。本研究では、CEDがMSSMおよび第4世代ヒッグスボソンに対して強い感度を示すことを示しており、特に$b\bar{b}$および$\tau^+\tau^-$崩壊チャンネルを通じて、LEPおよびテバトロンの探索で除外された質量領域においても発見可能性を有することを示している。

ABSTRACT

The prospects for central exclusive diffractive (CED) production of BSM Higgs bosons at the LHC are reviewed. This comprises the production of MSSM and 4th generation Higgs bosons. The sensitivity of the searches in the forward proton mode for the Higgs bosons as well as the possibility of a coupling structure determination are briefly discussed.

研究の動機と目的

• BSMヒッグスボソンの検出可能性を、前方陽子検出器を用いたLHCにおける中心的排他的弾性（CED）生成プロセスを用いて評価すること。
• LEPおよびテバトロンの制約によって除外される領域においても、MSSMヒッグスボソンに対するCED探索の感度を評価すること。
• 第4世代ヒッグスモデル（SM4）を調べるためのCED生成の可能性を調査すること。このモデルではグルーオンへのヒッグス結合が9倍に増幅される。
• 排他的生成を用いてヒッグスの量子数およびヤコビ結合定数（特にボトムクォークへの結合）を測定する見通しを特定すること。
• 更新された理論的入力（更新されたヒッグス幅の計算およびバックグラウンドの評価を含む）を用いて、以前のCED研究を更新すること。

提案手法

• 中心的排他的弾性（CED）生成過程$pp \to p \oplus H \oplus p$を用い、中央状態$H$が大きな急速性ギャップを伴い、前方陽子検出器で完全な陽子が検出されることを想定する。
• $J_z = 0$, ${\cal CP}$-偶性選択則を適用し、明確な量子数の決定を確保し、$0^+$状態を優遇する。
• 高次補正を含むMSSMヒッグスの分岐比および部分幅を正確に計算するため、改良されたFeynHiggsコードを用いる。
• LEPおよびテバトロンのヒッグス探索からの除外限界を特定するためにHiggsBounds [23] を用い、今後の研究に向けた許容される質量領域を定義する。
• 信号の有意性予測を改善するため、Ref. [19, 20] からの更新された理論的推定値を用いてバックグラウンド寄与を評価する。
• $H \to b\bar{b}$および$H \to \tau^+\tau^-$崩壊チャンネルについて、60、600 fb$^{-1}$および二重効果的フルエンスのさまざまな状況下で有意性計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPおよびテバトロンの制約によって除外される質量領域において、$M_h^{\rm max}$ベンチマーク状況下でのMSSMヒッグスボソンに対する前方陽子検出の感度はどの程度か？
• RQ2 LHCにおけるCED生成は、特にボトムクォークのヤコビ結合定数に対して、ヒッグス結合構造を高精度で解明できるか？
• RQ3 SM4モデルにおけるグルーオン結合の増幅が、CEDチャンネルにおけるヒッグスボソンの発見可能性にどのように影響するか？
• RQ4 $H \to b\bar{b}$および$H \to \tau^+\tau^-$崩壊モードにおけるSM4ヒッグスボソンの有意な発見可能性を達成するためには、どの程度のフルエンスが必要か？
• RQ5 LEPおよびテバトロンによって除外された$112-145$ GeVの範囲を超えて、SM4ヒッグスボソンの検出にCED生成が有効である質量範囲はどこか？

主な発見

• MSSMヒッグスボソンのCED $H \to b\bar{b}$チャンネルは、特に$\tan\beta$が大きく$M_A$が小さい場合、標準模型（SM）よりもはるかに高い質量まで発見可能性を示す。
• SM4モデルでは、$112\,\text{GeV} \lesssim M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$の質量範囲がLEPおよびテバトロンの探索によって除外されていないため、CED研究の主要なターゲットとなる。
• SM4における$H \to b\bar{b}$チャンネルでは、$60\,\text{fb}^{-1}$の効果的フルエンスで$M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$の範囲で$>5\sigma$の有意性を達成し、低フルエンスでも高い感度を示す。
• SM4における$H \to \tau^+\tau^-$チャンネルでは、$5\sigma$の有意性に到達するにはより高いフルエンス（$600\,\text{fb}^{-1}$）が必要であるが、高フルエンス条件下でも実現可能である。
• $M_{H^{\rm SM4}} \gtrsim 220\,\text{GeV}$の範囲では、$H \to WW, ZZ$崩壊モードが発見可能性を示す可能性があるが、まだ分析は実施されていない。
• CED生成は、陽子のエネルギー損失と中央質量との直接的な関係により、崩壊モードに依存しない優れた質量分解能を実現する。