[論文レビュー] Establishing a No-Lose Theorem for NMSSM Higgs Boson Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, John F. Gunion+1 more|ArXiv.org|Nov 14, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 28

ひとこと要約

この論文は、300 fb⁻¹の統計的データ量とWWファージョン検出モードの導入を前提とすることで、LHCにおけるNMSSMヒッグス粒子の発見について「負けなしの定理」を確立している。他のヒッグス粒子や超対称粒子への崩壊が運動論的に禁止されている限り、スキャンしたパラメータ空間のすべての点で、少なくとも1つのヒッグス粒子が≥5σの有意水準で観測可能であることを示している。非ファージョンモードでの有意水準がやや低い場合でも、WWファージョンモードがすべてのケースで発見を保証する。

ABSTRACT

We scan the parameter space of the NMSSM for the observability of at least one Higgs boson at the LHC with $300\fbi$ integrated luminosity, taking the present LEP2 constraints into account. We restrict the scan to those regions of parameter space for which Higgs boson decays to other Higgs bosons and/or supersymmetric particles are kinematically forbidden. We find that if $WW$-fusion detection modes for a light Higgs boson are not taken into account, then there are still significant regions in the scanned portion of the NMSSM parameter space where no Higgs boson can be observed at the $5σ$ level, despite the recent improvements in ATLAS and CMS procedures and techniques and even if we combine all non-fusion discovery channels. However, if the $WW$-fusion detection modes are included using the current theoretical study estimates, then we find that for all scanned points at least one of the NMSSM Higgs bosons will be detected. If the estimated $300\fbi$ significances for ATLAS and CMS are combined, one can also achieve $5σ$ signals after combining just the non-$WW$-fusion channels signals. We present the parameters of several particularly difficult points, and discuss the complementary roles played by different modes. We conclude that the LHC will discover at least one NMSSM Higgs boson unless there are large branching ratios for decays to SUSY particles and/or to other Higgs bosons.

研究の動機と目的

• 実験的条件下におけるLHCにおけるNMSSMヒッグス粒子の検出可能性を評価すること。
• ATLASおよびCMSの感度が向上したにもかかわらず、ヒッグス粒子が検出されない可能性があるパラメータ空間の領域を特定すること。
• WWファージョン検出モードが、NMSSM全パラメータ空間にわたる発見を保証する役割を評価すること。
• MSSMと同様に、NMSSMにおいても「負けなしの状況」が確立可能かどうかを検討すること。
• 異なるヒッグス粒子検出チャネルの相乗効果が、個々のチャネルでの抑制を克服する役割を果たすかを検討すること。

提案手法

• ヒッグス粒子が他のヒッグス粒子や超対称粒子に運動論的に崩壊可能な点を除き、NMSSMパラメータ空間の包括的スキャンを実施した。
• 主なヒッグス粒子発見チャネル（ggF、VBF、関連生成（tt̄h、Vh）、およびH→bb̄、ττ、WW*）について、統計的有意水準（S/√B）を計算した。
• 現在のLHC感度予測を用いて、理論的推定値に基づくWWファージョン検出モードを有意水準計算に組み込んだ。
• 各ヒッグス状態について、単純なガウス合成法を用いて全有意水準を統合した。
• 分析は300 fb⁻¹の統計的データ量に限定され、当時想定されるLHCの性能と整合的であった。
• 非ファージョンモードで有意水準が低いと予想される主要なベンチマーク点を特定し、負けなしの結論の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 fb⁻¹の統計的データ量において、WWファージョン以外のチャネルのみを用いた場合、どのパラメータ空間領域でも5σ以上の有意水準を達成できないヒッグス粒子が存在するか？
• RQ2 非ファージョンモードが失敗した場合、WWファージョン検出モードがすべてのNMSSMヒッグス粒子に対して5σの発見を保証できるか？
• RQ3 すべての検出モードを統合した場合の最小有意水準はどの程度であり、それがすべてのケースで5σを超えるか？
• RQ4 ヒッグス粒子の分岐比および結合定数が、異なる検出チャネルにおける検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 MSSMと同様の仮定のもとで、NMSSMにおけるヒッグス粒子発見の「負けなしの定理」を確立できるか？

主な発見

• WWファージョンモードを除くと、どのヒッグス粒子も5σ以上の有意水準に達しないパラメータ空間の領域が存在する。
• 非WWファージョンモードをすべて統合しても、最も挑戦的なケースでは有意水準が4.8σにとどまり、5σに達しない。
• しかし、WWファージョンモードを含めると、スキャンしたすべての点で少なくとも1つのチャネルで10.1σ以上の有意水準が達成される。
• WWファージョンを含む全モードの統合有意水準は、すべての点で10.7σを超えており、5σの発見基準を明確に満たしている。
• 最も挑戦的なベンチマーク点（Point 5）では、全モードを統合した結果18.07σに達し、そのうちWWファージョンが16.78σを占める。
• 本研究は、他のヒッグス粒子や超対称粒子への大きな分岐比が存在しない限り、NMSSMヒッグス粒子の発見がLHCで保証されることを確認した。