[論文レビュー] Investigation of the Discovery Potential for Higgs Bosons of the Minimal Supersymmetric Extension of the Standard Model (MSSM) with ATLAS

M. Schumacher|ArXiv.org|Oct 7, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるATLAS実験の最小超対称標準模型（MSSM）におけるヒッグス粒子の発見可能性を評価しており、CP保存の4つのベンチマーク・スケナリオとCP破れの1つのスケナリオを分析している。FeynHiggsおよびATLASの高速モンテカルロシミュレーションを用いた結果、300 fb⁻¹の積分光度において、MSSMの全パラメータ空間が発見可能であるが、CP破れスケナリオでは、$M_{H^\pm}$が小さく、$\tan\beta$が小さい領域では未カバーのまま残ることが判明した。

ABSTRACT

The discovery potential of the ATLAS experiment at the LHC for Higgs bosons of the MSSM is discussed. Several CP conserving and one CP violating benchmark scenario are investigated.

研究の動機と目的

• MSSMにおける全5つの物理的ヒッグス粒子の発見可能性を、多様なベンチマーク・スケナリオにおいてATLAS実験が評価すること。
• 特にVBF、GGF、および関連生成の探索チャネルが、MSSMヒッグス粒子と標準模型（SM）ヒッグス粒子を区別する感度を評価すること。
• 運動的カバレッジの制限や生成断面積の抑制による、ヒッグス粒子が検出されないMSSMパラメータ空間の領域を同定すること。
• 例えば$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$のようなブランチング比比の測定により、SMヒッグスとMSSMヒッグスを区別する可能性を調査すること。
• 特にCPXスケナリオにおいて、低質量ヒッグス状態が現在のATLAS探索戦略で検出されない可能性があるという、発見範囲のギャップを強調すること。

提案手法

• FeynHiggs v2.1を用いて、5つのベンチマーク・スケナリオ（4つのCP保存：m_h-max、nomixing、gluophobic、small α、および1つのCP破れ：CPX）におけるヒッグス粒子の質量、結合定数、ブランチング比を計算した。
• GGF、VBF、トップクォークとの関連生成（$tt\cal{H}$）、ウェイクボソンとの関連生成（$W\cal{H}$）、およびボトムクォークとの関連生成（$bb\cal{H}$）におけるヒッグス生成断面積を、LO（一次近似）で計算し、MSSM固有の補正係数を適用した。
• PYTHIAおよび専用の行列要素計算を用いて、$gb \to tH^\pm$および$tt \to bbWH^\pm$によるチャージドヒッグス生成断面積を計算した。
• 主要な崩壊チャネルにおける信号効率、バックグラウンド率、および検出器性能（例：bタギング、$\tau$タギング、レプトン分離）を統合したATLASの高速モンテカルロスタディーを実施した。
• 300 fb⁻¹の光度を想定し、統計的有意性と信号対バックグラウンド比を用いて発見範囲を評価した。
• 統計的不確実性のみを考慮して、$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$という比を用いて、SMとMSSMの区別可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 fb⁻¹の光度において、CP保存の異なるベンチマーク・スケナリオにおける最軽いCP偶性ヒッグス粒子（$h$）の発見可能性は何か？
• RQ2 CPXスケナリオにおけるCP破れの導入が、中性およびチャージドヒッグス粒子の発見範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ3 生成断面積が小さく、または運動的制限があるためにATLAS探索でカバーされないMSSMパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 VBF生成におけるブランチング比比$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$は、MSSMヒッグスとSMヒッグスを区別できるか？
• RQ5 特に$M_{H^\pm}$が小さく、$\tan\beta$が小さい場合に、現在のATLAS探索戦略が、CP破れスケナリオにおける軽いヒッグス状態を検出できない限界は何か？

主な発見

• 300 fb⁻¹の積分光度を想定した場合、ATLAS実験はCP保存の4つのベンチマーク・スケナリオにおいて、MSSMパラメータ空間全体で少なくとも1つのヒッグス粒子を発見可能である。
• 最軽いヒッグス粒子（$h$）は、$\gamma\gamma$、$\tau\tau$、$WW$、$bb$など複数のチャネルで発見可能であり、ブランチング比の測定によりSMとMSSMを区別する可能性がある。
• CPXスケナリオでは、$M_{H^\pm} < 100$ GeVで$\tan\beta$が小さい領域が未カバーであり、この領域では最軽いヒッグス（$H_1$）の質量が70 GeV未塔、$H_2$および$H_3$は105–180 GeVの範囲にある。
• m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}スケナリオでは、大きな量子補正のおかげで最軽いヒッグスが最大133 GeVまで達するため、発見可能性が向上する。
• $R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$の比は、SMとMSSMを区別する可能性を示しており、$\Delta > 1$（および$\Delta > 2$）の場合、m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}スケナリオで顕著な感度が得られる。
• チャージドヒッグス粒子は、$M_{H^\pm} < 170$ GeVではトップクォーク崩壊（$t \to bH^\pm$）を介して、$M_{H^\pm} > 180$ GeVでは$gb \to tH^\pm$を介して発見可能であるが、170–180 GeVの範囲にはギャップが存在する。