[論文レビュー] Central Exclusive Production of BSM Higgs bosons at the LHC

S. Heinemeyer, V. A. Khoze+3 more|ArXiv.org|Nov 27, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける最小超対称標準模型（MSSM）におけるヒッグス boson の中心的排他的弾道的（CED）生成を、前方陽子タギングを用いて調査する。CP偶性ヒッグス状態の高分解能質量測定が可能である。CEDは、MSSMパラメータ空間の大きな$\tan\beta$および重い$m_A$領域に対して優れた感度を示し、高光度条件下で$3\sigma$発見領域がほぼ全$m_A$--$\tan\beta$平面をカバーする。特に$h\to b\bar{b}$および$H\to b\bar{b}$崩壊モードにおいて顕著である。

ABSTRACT

The prospects for central exclusive diffractive (CED) production of MSSM Higgs bosons at the LHC are reviewed. These processes can provide important information on the $\cp$-even Higgs bosons, allowing to probe interesting regions of the $\MA$--$ b$ parameter plane. The sensitivity of the searches in the forward proton mode for the Higgs bosons in the so-called CDM-benchmark scenarios and the effects of fourth-generation models on the CED Higgs production are briefly discussed.

研究の動機と目的

• LHCにおける前方陽子タギングを用いた中心的排他的弾道的（CED）生成を通じてMSSMヒッグスボソンの検出可能性を評価すること。
• 特にCDMベンチマークシナリオを対象に、$m_A$--$\tan\beta$パラメータ平面におけるCEDヒッグス探索の感度を評価すること。
• 第四世代フェルミオンがCEDヒッグス生成率および信号対背景比に与える影響を調査すること。
• 現実的な光度および検出器条件の下で、$h\to b\bar{b}$および$H\to b\bar{b}$チャンネルの発見可能性を定量すること。
• 標準模型の期待値と比較し、排他的性に起因する質量分解能の向上と背景低減の効果を強調すること。

提案手法

• MSSMヒッグスボソンのグルーオン部分幅および branching 比を計算するために、FeynHiggs 2.6.2コードを用い、高次の補正を組み込む。
• CED断面積は、ヒッグス質量$M$、グルーオン幅$\Gamma(H\to gg)$、および$\text{BR}^{\text{MSSM}}$に依存するパラメトリック式（式1）を用いて推定し、$M=120$ GeVで正規化する。
• $b\bar{b}$最終状態への背景寄与は、誤認識ジャケット、$|J_z|=2$状態、および放射過程を考慮したパラメトリック表現（式2）でモデル化する。
• 統計的$3\sigma$等高線を用いて、CDMベンチマークシナリオの$m_A$--$\tan\beta$平面全域で信号の有意性を評価し、光度として60および600 fb$^{-1}$を想定する。
• 第四世代クォークの存在により、$\Gamma(H\to gg)$が約9倍に増大し、SMに比べてCED信号率が上昇することを考慮する。
• 検出器の受容性および選別効率は、衝突点から$\pm 220$ mおよび$\pm 420$ mの前方陽子タッカー構成に基づいてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける中心的排他的弾道的生成は、特に大きな$\tan\beta$および高$m_A$領域において、CP偶性ヒッグスボソンの検出感度を向上させ得るか？
• RQ2 CDMベンチマークシナリオにおいて、$h\to b\bar{b}$および$H\to b\bar{b}$崩壊モードの予想される$3\sigma$発見領域は、光度レベルの変化に応じてどのように変化するか？
• RQ3 第四世代フェルミオンダブルットの存在が、LHCにおけるCEDヒッグス生成率および信号対背景比に与える影響は何か？
• RQ4 CEDプロセスの排他的性は、標準的ヒッグス生成モードと比較して、質量分解能の向上および背景抑制にどの程度寄与するか？
• RQ5 60 fb$^{-1}$の統合光度のもとで、第四世代モデルにおける$H\to b\bar{b}$および$H\to WW$の観測可能な信号イベント数はそれぞれどの程度か？

主な発見

• CDMベンチマークシナリオP3の$h\to b\bar{b}$チャンネルにおいて、600 fb$^{-1}$の有効光度下で$3\sigma$発見領域は、$m_A \approx 125$ GeV付近の狭いファンネルを除き、ほぼ全$m_A$--$\tan\beta$パラメータ平面をカバーする。
• $H\to b\bar{b}$チャンネルでは、60 fb$^{-1}$で$\tan\beta = 25$まで$3\sigma$発見領域が達成され、600 fb$^{-1}$では$M_H = 240$ GeVを超える領域までカバーされる。
• 第四世代モデルでは、低質量領域（115–130 GeV）においてCED $H\to b\bar{b}$信号率がSMの5–6倍に上昇し、高い検出可能性を示す。
• $H\to WW$崩壊で210 GeV以上の場合、信号率はSMに比べて約9倍に増大し、$M_H = 120$ GeVでは信号対背景比$S/B > 5$を達成する。
• 60 fb$^{-1}$の光度下で、約25件の$H\to b\bar{b}$および45件の$H\to WW$信号イベントが予想され、両チャンネルで$S/B > 5$となるため、実験的実現可能性が極めて高い。
• $H\to ZZ$チャンネルは200–250 GeVの範囲で特に有利であり、支配的背景（Zストラール）が強く抑制可能である。