[論文レビュー] Fully covering the MSSM Higgs sector at the LHC

A. Djouadi, Luciano Maiani+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、MSSMのヒッグス・セクターの全パラメータ空間、特に挑戦的な低-$\tan\beta$および高-$M_A$領域が、LHCにおいてグルーオン融合による重いヒッグスボソン $H/A$ の生成と、それらのトップクォーク対 ($t\bar{t}$) への崩壊を組み合わせることで完全に探査可能であることを示している。$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルは、未解明領域をカバーする上で不可欠であり、$\sqrt{s} = 14$ TeV、300 fb$^{-1}$ の条件下で $M_A \approx$ 600 GeVまで、高 luminosity 時には 3000 fb$^{-1}$ で $M_A \approx$ 1 TeVまでカバー可能である。

ABSTRACT

In the context of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM), we reanalyze the search for the heavier CP-even $H$ and CP-odd $A$ neutral Higgs bosons at the LHC in their production in the gluon-fusion mechanism and their decays into gauge and lighter $h$ bosons and into top quark pairs. We show that only when considering these processes, that one can fully cover the entire parameter space of the Higgs sector of the model. Indeed, they are sensitive to the low $ anβ$ and high Higgs mass ranges, complementing the traditional searches for high mass resonances decaying into $τ$-lepton pairs which are instead sensitive to the large and moderate $ anβ$ regions. The complementarity of the various channels in the probing of the complete $[ anβ, M_A]$ MSSM parameter space at the previous and upcoming phases of the LHC is illustrated in a recently proposed simple and model independent approach for the Higgs sector, the $h$MSSM, that we also refine in this paper.

研究の動機と目的

• MSSMヒッグス・セクターの全$[\tan\beta, M_A]$ パラメータ空間を完全にカバーできる、未だ十分に検討されていない探索チャンネルを同定・分析すること。
• 従来の $\tau\tau$ および $b\bar{b}$ 崩壊探索では効果が薄い低 $\tan\beta$ および高 $M_A$ 値における実験的感度のギャップを解消すること。
• 低 $\tan\beta$ において、特に $t\bar{t}$ 閾値を超える領域で、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルがMSSMヒッグス・セクターの主要な探査手段として実現可能であることを示すこと。
• フェルミオン的およびボソン的崩壊モードを統合した、モデルに依存しないパラメータ空間全域のヒッグス・セクター解析を可能にする、$h$ MSSMフレームワークの洗練。

提案手法

• 本研究は、$\tan\beta$ および $M_A$ を入力パラメータとし、$M_h \approx 125$ GeV を固定制約として用いる $h$ MSSMフレームワークを採用している。
• トップクォークのループを通じたグルーオン融合生成メカニズム $gg \to H/A$ を分析しており、低 $\tan\beta$ においても強いトップヒッグスカップリングのため、依然として顕著な寄与を示す。
• 高 $M_A$ および低 $\tan\beta$ において、$H/A \to t\bar{t}$ 崩壊が支配的となり、他の崩壊モードが抑制され、このチャンネルが主な探査手段となることを評価している。
• ATLASおよびCMSの $\sqrt{s} = 8$ TeV 時におけるトップ対共鳴状態の既存解析を用いて、$H/A \to t\bar{t}$ の信号の有意性を推定し、$\sqrt{s} = 14$ TeV へと外挿している。
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルを、$pp \to H/A \to \tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$、$hZ$ などの既存の崩壊モードと組み合わせることで、完全なカバーを実現している。
• ヒッグス信号とQCD $t\bar{t}$ バックグラウンドの干渉効果を考慮し、インヴァリアント質量分布にピーク・ディップ構造が生じることに注目している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の $\tau\tau$ および $b\bar{b}$ 崩壊探索ではカバーできない低-$\tan\beta$ および高-$M_A$ 領域のMSSMヒッグス・セクターを、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルが効果的に探査可能かどうか。
• RQ2 巨大なQCDバックグラウンドを伴うにもかかわらず、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ プロセスが、MSSMにおける重いヒッグスボソンの発見に実用的かつ感受性の高いチャンネルとして成立する範囲はどの程度か。
• RQ3 高 luminosity LHC における $\sqrt{s} = 14$ TeV および $300$ fb$^{-1}$ のデータ量下で、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルの $M_A$ および $\tan\beta$ における到達範囲はどの程度か。
• RQ4 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルが、$\tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$、$hZ$ モードでの既存探索とどのように補完し合い、$[\tan\beta, M_A]$ 平面の完全なカバーを実現するか。
• RQ5 ヒッグス信号とQCD $t\bar{t}$ バックグラウンドの干渉が、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルにおける $H/A \to t\bar{t}$ シグナルの観測可能性に及ぼす影響は何か。

主な発見

• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルは、従来の $\tau\tau$ および $b\bar{b}$ 崩壊探索ではカバーできない低-$\tan\beta$ および高-$M_A$ 領域のMSSMヒッグス・セクターを探査可能である。
• $\sqrt{s} = 8$ TeV、25 fb$^{-1}$ のデータ量で、$pp \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルは $\tan\beta \lesssim 4$ (2) まで $M_A \approx 250$ (350) GeV までを除外可能である。
• $\sqrt{s} = 14$ TeV および $300$ fb$^{-1}$ の条件下で、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネル単体で、任意の $\tan\beta$ に対して $M_A \approx 600$ GeV まで到達可能である。
• 高 luminosity 時に $3000$ fb$^{-1}$ のデータ量が得られれば、$gg \to H/A \to t\bar{t}$ チャネルの貢献により、全MSSMパラメータ空間が $M_A \approx$ 1 TeV までカバー可能となる。
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ プロセスは、QCD $t\bar{t}$ バックグラウンドと複雑な干渉を示し、インヴァリアント質量分布にピーク・ディップ構造を生じさせるが、これは信号の同定に役立つ可能性がある。
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ を既存のフェルミオン的およびボソン的崩壊チャンネルと組み合わせることで、LHCにおけるMSSMヒッグス・セクターの $[\tan\beta, M_A]$ 平面の完全なカバーが実現される。