[論文レビュー] Closing the Wedge with 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 at the LHC: A Snowmass White Paper

Ian Lewis|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、MSSMにおける重い中性HiggsボソンのLHCへの感受性を、統合された光度300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の条件下で評価している。主にτ⁺τ⁻およびhZの崩壊モードに注目し、3000 fb⁻¹のデータ量では、ATLASとCMSがそれぞれm_h^maxシナリオにおいてM_A < 360–390 GeVおよびM_A < 410–460 GeVを除外可能であることを示している。これは、MSSMのHiggs系における残存するパラメータ空間を顕著に縮小する。

ABSTRACT

The discovery of a Higgs boson at the LHC begins the era of directly measuring the mechanism of electroweak symmetry breaking (EWSB). Searching for extensions of the Standard Model (SM) EWSB sector at the LHC is of vital importance. An important extension of the SM with an extended EWSB sector is the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). In this white paper, we extend current ATLAS and CMS bounds on direct searches for the heavy MSSM neutral Higgs bosons to 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 of data at the LHC. In particular we focus on the τ^+τ^- channel and the pseudoscalar decay to light Higgs boson and Z, with additional discussion on how to further close the wedge.

研究の動機と目的

• 現在のLHCにおける重いMSSM Higgsボソン（HおよびA）の境界を、300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹のデータ量にまで拡張すること。
• さまざまなMSSMベンチマークシナリオにおけるH/A → τ⁺τ⁻崩壊モードの発見可能性を評価すること。
• 低tanβにおけるA → hZ崩壊モードに対するLHCの感受性を、既存のVh探索境界を用いて評価すること。
• M₂を2 TeVに増加させることで、τ⁺τ⁻分岐比がどのように向上し、H/A → τ⁺τ⁻チャンネルにおける探索領域がどのように改善されるかを調査すること。
• 残存する「ウェッジ」領域を閉じるための主要なチャンネルおよび光度のしきい値を同定すること。

提案手法

• FeynHiggsを用いたMSSM Higgsボソンの理論的生成断面積および分岐比に基づき、現在のATLASおよびCMSの直接探索限界を外挿する。
• MSSMとSMの部分幅の比によって、SM Higgs生成率（グルーオン融合およびb̄b結合）をスケーリングし、HおよびAの生成断面積を計算する。
• b̄b → hの過程における精度向上のため、bbh@nnloプログラムによるNNLO QCD計算を用いる。
• FeynHiggsパッケージを用いて分岐比および崩壊幅を評価し、m_h^max、m_h^mod+、およびm_h^mod−ベンチマークからの入力パラメータを用いる。
• 低tanβにおけるA → hZ率の代理として、既存のVh（V = W/Z）探索境界を再評価し、SMのVh率を上限と仮定する。
• 300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹における期待される統計的有意度および信号対背景比に基づき、H/A → τ⁺τ⁻およびA → hZチャンネルの感受性予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 fb⁻¹および3000 fb⁻¹のデータ量において、m_h^maxシナリオにおけるHおよびAのτ⁺τ⁻最終状態への予想される除外領域はどの程度か？
• RQ2 チャージノ/ニュートラリノ質量スケール（M₂）を増加させることで、HおよびAのτ⁺τ⁻への分岐比およびそれによる発見領域にどのような影響があるか？
• RQ3 低tanβにおけるA → hZ崩壊モードを制限するために、既存のVh探索境界をどの程度まで活用できるか？
• RQ4 3000 fb⁻¹におけるLHCのA → hZチャンネルへの感受性はどの程度で、tanβおよびM₂にどのように依存するか？
• RQ5 3000 fb⁻¹のデータ量後に、M_A–tanβ平面のどの領域がMSSMパラメータ空間として依然として妥当性を保っているか？また、残存する「ウェッジ」領域をどのように閉じられるか？

主な発見

• 3000 fb⁻¹のデータ量では、m_h^maxシナリオ（M_SUSY = 1 TeV）において、ATLASがM_A < 360–390 GeV、CMSがM_A < 410–460 GeVをτ⁺τ⁻チャンネルで除外可能である。
• M₂ = 2 TeVに設定すると、SUSY崩壊モードの抑制により、HおよびAのτ⁺τ⁻への分岐比が上昇し、τ⁺τ⁻チャンネルにおける感受性が向上する。
• 低tanβ（≤ 3–4）ではA → hZ崩壊モードが利用可能となり、M₂ = 2 TeVの条件下で3000 fb⁻¹のデータ量ではtanβ ≈ 5までこのチャンネルを探索可能である。
• 現在のVh探索境界（ATLASおよびCMS、4.7–19 fb⁻¹）は、A → hZ全率に対する制限として解釈可能であり、低tanβにおけるこのチャンネルへの感受性を可能にする。
• m_h^mod±ベンチマークは、測定されたHiggs質量（125.5 GeV）を3 GeV以内に再現しており、M_h = 125.5 GeVと整合するパラメータ領域はm_h^max領域の大部分を占めている。
• M_A > 350 GeVでは、t̄t崩壊モードが支配的となり、τ⁺τ⁻チャンネルにおける探索領域が縮小するが、3000 fb⁻¹のデータ量では依然として顕著な改善が見込まれる。