[論文レビュー] Charged Higgs Bosons in the MSSM at CMS: Discovery Reach and Parameter Dependence

M. Hashemi, S. Heinemeyer+3 more|ArXiv.org|Apr 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるMSSMにおける電荷付きヒッグスボソンの発見感度を評価し、最新のCMS実験的感度と、生産および崩壊に関する最先端の理論的予測を組み合わせている。ヒッグス混合パラメータμが、$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 平面上の5σ発見境界を最大で$\Delta\tan\beta = 40$までシフトさせることを示しており、大きな負のμ値では、生産断面積の増大とSUSY粒子への崩壊の抑制により、最も広い発見感度が得られる。

ABSTRACT

The search for MSSM Higgs bosons will be an important goal at the LHC. In order to analyze the search reach of the CMS experiment for the charged MSSM Higgs bosons, we combine the latest results for the CMS experimental sensitivities based on full simulation studies with state-of-the-art theoretical predictions of MSSM Higgs-boson production and decay properties. The experimental analyses are done assuming an integrated luminosity of 30 fb^-1 for the two cases M_H+- < m_t and M_H+- > m_t. The results are interpreted as 5 sigma discovery contours in M_H+- - tan_beta planes of the MSSM for various benchmark scenarios. We study the dependence of the 5 sigma contours on the variation of the relevant SUSY parameters. Particular emphasis is put on analyzing the variation of the discovery contours with the Higgs mixing parameter mu. The variation of mu can shift the prospective discovery reach in tan_beta by up to Delta tan_beta = 40.

研究の動機と目的

• SUSYパラメータの変動、特にヒッグス混合パラメータμが、LHCにおけるMSSMの電荷付きヒッグスボソンの5σ発見感度に与える影響を評価すること。
• 30 fb⁻¹の積分光度に基づくフルシミュレーションを用いた最新のCMS実験的感度結果と、MSSMヒッグスの生産および崩壊に関する高度な理論的予測を統合すること。
• 高次の補正およびSUSY粒子への崩壊が、軽いおよび重い電荷付きヒッグスの両方のシナリオにおける$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 平面上の発見境界に与える影響を調査すること。
• 新しい結果をCMS物理学技術設計レポート（PTDR）と比較し、$\Delta_b$補正やSUSY崩壊の取り入れといった、改善された理論入力による差異を特定すること。

提案手法

• 本研究では、$M_{H^\pm} < m_t$および$M_{H^\pm} > m_t$の2つのケースについて、30 fb⁻¹の積分光度を仮定して、フルシミュレーションに基づくCMS実験的感度を用いる。
• これらを、1ループおよび$\mathcal{O}(\alpha_t\alpha_s)$の2ループ補正を含む、MSSMヒッグス生産および崩壊に関する最先端の理論的予測と組み合わせる。
• 分析は、$m_h^{\rm max}$およびノーミキシングベンチマークシナリオに焦点を当て、ヒッグス混合パラメータμを±200から±1000 GeVの範囲で変化させる。
• $\Delta_b$補正を明示的に取り入れており、これは$M_A$と$M_{H^\pm}$の関係に影響を与え、SUSY粒子への崩壊を考慮すると、$H^\pm \to \tau\nu_\tau$の分支比が低下する。
• 異なるμ値に対して、$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 平面上の5σ有意水準での発見境界を計算し、CMS PTDRと比較する。
• これらの理論的補正が、軽いおよび重い電荷付きヒッグス探索領域の間のギャップに与える影響、特に$m_h^{\rm max}$シナリオにおいて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス混合パラメータμの変動が、LHCにおけるMSSMの電荷付きヒッグスボソンの5σ発見感度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に$\Delta_b$補正を含む高次の補正が、$m_h^{\rm max}$およびノーミキシングシナリオにおける$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 発見境界をどの程度シフトさせるか？
• RQ3 電荷付きヒッグスボソンのSUSY粒子への崩壊が、$\tau\nu_\tau$への有効な分支比および実験的発見可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜCMS解析において軽いおよび重い電荷付きヒッグス探索領域の間にギャップが生じるのか？ そして、解析戦略を拡張することでそのギャップを埋めることは可能か？
• RQ5 改善された理論的入力（$\Delta_b$補正、SUSY崩壊の取り入れなど）を含む新しい結果は、CMS PTDRの予測と比較して、発見感度および境界形状の点でどの程度異なるか？

主な発見

• ヒッグス混合パラメータμの変動により、$M_{H^\pm} \gtrsim m_t$の領域で、5σ発見境界が最大で$\Delta\tan\beta = 40$までシフトする。特に$m_h^{\rm max}$シナリオで最大の効果が観察される。
• $M_{H^\pm} = 100$ GeVの場合、シフトは$\Delta\tan\beta = 15$に達し、$M_{H^\pm}$が大きくなるに従い増加する。
• 発見領域は$\mu = -1000$ GeVで最大、$\mu = +1000$ GeVで最小となり、負のμでは生産断面積が増大し、SUSY粒子への崩壊が抑制されるためである。
• $\Delta_b$補正およびSUSY崩壊の取り入れにより、軽い電荷付きヒッグスの発見境界は$M_A$の小さい値へシフトし、負のμでは大きな$\tan\beta$で「湾曲」する傾向を示す。
• 軽いおよび重い電荷付きヒッグス探索領域の間にわずかなギャップが残っており、これは$\mu = +1000$ GeVの場合に最も顕著（最大約5 GeV）で、$\mu = -1000$ GeVでは最小（約5 GeV）である。したがって、重いヒッグス解析を$M_A$の小さい値へ拡張することでギャップを埋められると示唆される。
• μの変動の効果はノーミキシングシナリオでも同様に定性的に観察されるが、$m_h^{\rm max}$シナリオほど顕著ではない。