[論文レビュー] How to Detect `Decoupled' Heavy Supersymmetric Higgs Bosons

Mike Bisset, N. Kersting+1 more|ArXiv.org|Sep 7, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、標準模型のみの崩壊モードが存在しない高Mₐ、中程度tanβの「分離領域」において、LHCで重いMSSMのヘキスボソン（H⁰, A⁰）を、通常のχ̃₂⁰χ̃₂⁰モードに加えて、より重い中性ノイドン対（χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰）への崩壊による4ℓ + Eₜmissシグナルを通じて検出可能であると提唱する。主な発見は、M₂が小さく|μ|が中程度の状況では、特に高Mₐ、中程度tanβの「分離領域」における発見領域が拡張され、標準模型のみの崩壊モードでは検出不能な領域でも信号が得られることである。

ABSTRACT

Heretofore neglected decay modes of heavy MSSM Higgs bosons into a variety of neutralino pairs may push the LHC discovery reach for these crucial elements of an extended Higgs sector to nearly the TeV-scale -- if sparticle-sector MSSM input parameters are favorable. This is well into the so-called decoupling region, including moderate to low tan(beta) values, where no known signals exist for said heavy Higgs bosons via decays involving solely SM daughter particles, and the lighter h^0 mimics the lone SM Higgs boson. While the expanse of the Higgs to sparticle discovery region is sensitive to a number of MSSM parameters, including in particular those for the sleptons, its presence is primarily linked to the gaugino inputs -- in fact, to just one parameter, M_2, if gaugino unification is invoked. Thus consideration of high vs. low M_2 realms in the MSSM should be placed on a par with the extensive consideration already given to high vs. low tan(beta) regimes.

研究の動機と目的

• 高Mₐ、中程度tanβの『分離領域』におけるLHCによる重いMSSMヘキスボソンの発見領域の欠落を解消すること。この領域では、標準模型のみの崩壊モードが存在しない。
• 通常のχ̃₂⁰χ̃₂⁰モードに加えて、重いスパーティクル対（特にχ̃₃⁰, χ̃₄⁰）へのH⁰, A⁰の崩壊モードが無視されがちな点を調査すること。
• これらの新しい崩壊チャネルが、特にM₂が小さく|μ|が中程度の状況で、4ℓ + Eₜmissシグナル率を顕著に増加させることを示すこと。
• 従来の研究ではχ̃₂⁰χ̃₂⁰崩壊に限定されていたため、MSSMパラメータ空間における発見可能性の大部分を逃していたことの解明。
• 重い中性ノイドン崩壊の組み込みが、分離領域における重いヘキスボソンのLHC探索戦略を完全かつ現実的にする上で不可欠であることを確立すること。

提案手法

• pp → H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰ → 4ℓ + 2χ̃₁⁰ (Eₜmiss) のすべての可能な崩壊チェーンを包括的にスキャン。中性ノイドン（i,j = 1–4）およびチョージャーを含む。
• 木レベルMSSMパラメータを用いる：Mₐ, tanβ, μ, M₂, M₁（ガウジノ統一下でM₁ ≈ 5/3 tan²θW M₂と仮定）。
• Mₐとtanβの平面上で1,000点以上をカバーし、300 fb⁻¹の統計的積分光度を想定して信号率をシミュレート。μとM₂を変化させる。
• 4ℓ + Eₜmiss最終状態の包含的生成率と分岐比を計算。特にχ̃₃⁰χ̃₄⁰および他の重い中性ノイドン対からの寄与に注目。
• 2つのベンチマークセット（Set 1：χ̃₂⁰χ̃₂⁰のみ、Set 2：すべての中性ノイドン状態を含む）の発見領域（d.r.’s）を比較。
• ATLASの標準模型崩壊モードの発見領域予測と対比。ATLAS研究における制限されたパラメータ選択が、真の発見可能性を低く見積もっている可能性を強調。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mₐ > 500 GeV、中程度tanβの分離領域において、より重い中性ノイドン対（χ̃₃⁰, χ̃₄⁰）への崩壊を含めた場合、重いMSSMヘキスボソンの発見領域はどの程度拡大するか？
• RQ2 M₂とヒッグスノイドン混合パラメータμが、H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰崩壊からの4ℓ + Eₜmissシグナル率にどのように影響するか？
• RQ3 重い中性ノイドン崩壊を無視した従来のLHCヒッグス探索戦略は、MSSMパラメータ空間における真の発見可能性をどの程度欠落させているか？
• RQ4 オンシェル2体崩壊（例：χ̃ᵢ⁰ → ℓ⁻ℓ⁺χ̃₁⁰）を含めることで、3体崩壊と比較して4ℓ + Eₜmissシグナル率が顕著に向上するか？
• RQ5 同じMSSM入力パラメータを用いた場合、4ℓ + Eₜmissの発見領域と標準模型崩壊モードの発見領域はどのように比較されるか？

主な発見

• Mₐ > 500 GeVで中程度tanβの条件下では、300 fb⁻¹の統計的積分光度において、H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰崩壊からの4ℓ + Eₜmissシグナルが数十から数百件に達する。特にM₂が小さく|μ|が中程度の状況で顕著である。
• |μ| < 400 GeVでM₂が低〜中程度のとき、χ̃₃⁰χ̃₄⁰への崩壊がχ̃₂⁰χ̃₂⁰を上回り、一部の領域では90％以上の寄与を示す。
• 4ℓ + Eₜmissの発見領域は、高Mₐ、中程度tanβの『分離領域』に顕著に拡張され、標準模型崩壊モードでは検出不能な領域をカバーする。
• Set 2（すべての中性ノイドン状態を含む）は、Set 1（χ̃₂⁰χ̃₂⁰のみ）に比べてはるかに広い発見領域を示し、後者は高Mₐ、tanβ > 5領域の大部分を欠落している。
• 重い中性ノイドン崩壊の組み込みにより、荷電スレプトンへのオンシェル崩壊が可能になり、レプトン最終状態の分岐比が向上する。
• 本研究は、標準模型崩壊モードとχ̃₂⁰χ̃₂⁰モードに限定した探索戦略が、M₂が小さく|μ|が中程度の状況では、MSSMパラメータ空間の大部分を除外していることを明らかにした。