[論文レビュー] NMSSM Higgs Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, J. F. Gunion+2 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Jan 28, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、標準模型に類似したヒッグス粒子が主に軽いCP-奇性ヒッグス粒子対（h → aa）に崩壊するという、標準的探索手法を回避する状況下でも、LHCがNMSSMにおける少なくとも1つのヒッグス粒子を検出可能であることを示している。WW融合生成に続くτ⁺τ⁻ + ジェットの崩壊モードを用いることで、mₐ > 2m_bの場合、50を超える統計的有意水準が達成され、300 fb⁻¹の積分 luminosity におけるNMSSMヒッグス粒子の発見に向けた堅牢な「負けなし定理」が確立される。

ABSTRACT

We demonstrate that Higgs discovery at the LHC is possible in the context of the NMSSM even for those scenarios such that the only strongly produced Higgs boson is a very SM-like CP-even scalar which decays almost entirely to a pair of relatvely light CP-odd states. In combination with other search channels, we are on the verge of demonstrating that detection of at least one of the NMSSM Higgs bosons is guaranteed at the LHC for accumulated luminosity of $300 { m fb}^{-1}$.

研究の動機と目的

• 標準模型に類似したヒッグス粒子が、主に軽いCP-奇性ヒッグス粒子対（h → aa）に崩壊する場合、LHCがNMSSMヒッグス粒子を検出可能かどうかを調査すること。
• このような隠れたヒッグス崩壊に対して、WW融合生成過程（pp → jjτ⁺τ⁻）が発見チャンネルとして有効かどうかを評価すること。
• 現実的なカットとモンテカルロシミュレーションを用いて、主なバックグラウンド（t\bar{t}、ZZ、Drell-Yan）に対する信号の統計的有意水準を評価すること。
• 標準的ヒッグス崩壊モードが抑制される状況下でも、MSSMヒッグス粒子発見の「負けなし定理」をNMSSMに拡張し、もはや見えないヒッグス崩壊を検出可能なモデルに依存しない堅牢な検出チャンネルを同定すること。

提案手法

• NMSSMにおけるWW融合によるヒッグス生成をシミュレートし、最終状態がjjτ⁺τ⁻となる状況に注目する。ここでτ⁺τ⁻対は、軽いCP-奇性ヒッグス粒子（a₁）の崩壊によって生じる。
• 前後方向のジェットおよび高運動量のτレプトンを要件とするきつい運動学的カットを適用し、WW融合信号を分離する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号率（S）とバックグラウンド率（B）を推定し、S/√Bを統計的有意水準（N_SD）の指標として用いる。
• 標準模型に類似したヒッグス粒子（h₁またはh₂）が質量約100–130 GeVであり、主にa₁a₁に崩壊するパラメータ点に注目する。a₁はb\bar{b}、τ⁺τ⁻、またはジェットに崩壊する。
• LEPが測定したe⁺e⁻ → Zhおよびe⁺e⁻ → ha過程の制限に適合するように、和則および結合制約を適用する。
• 複数の探索チャンネルおよび積分 luminosity スケナリオ（300 fb⁻¹）の結果を統合し、全体の発見可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型に類似したヒッグス粒子が、ほとんど完全に軽いCP-奇性ヒッグス粒子対（h → aa）に崩壊する場合、LHCはNMSSMヒッグス粒子を検出可能か？ これはすべての標準的崩壊モードが抑制される状況である。
• RQ2 ヒッグス粒子が軽いCP-奇性ヒッグス粒子対に崩壊する場合、NMSSMにおけるWW融合信号（pp → jjτ⁺τ⁻）の統計的有意水準はどの程度か？
• RQ3 主なバックグラウンド（t\bar{t}、ZZ、Drell-Yan）は、τ⁺τ⁻ + ジェット最終状態におけるWW融合信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 標準的崩壊モードが抑制される状況下でも、NMSSMヒッグス粒子発見の「負けなし定理」を確立できるか？ どのようなチャンネルがこれを可能にするか？
• RQ5 将来のコライダー、例えば線形コライダーにおいて、LHCが唯一の奇妙な崩壊モードしか観測しない場合、ヒッグス信号の確認にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 標準模型に類似したヒッグス粒子（h）が主に軽いCP-奇性ヒッグス粒子対（h → aa）に崩壊するNMSSMパラメータ点において、mₐ > 2m_bの場合、WW融合過程pp → jjτ⁺τ⁻は統計的有意水準（S/√B）が50以上に達する。
• mₐ < 2m_bの場合、有意水準は約20–22に低下し、主に軽いa₁ボソンの崩壊生成物の再構築の困難さに起因する。
• きついジェットおよびτレプトンの運動学的カットにより、非無視可能なt\bar{t} + ジェットバックグラウンドに対しても信号は堅牢に保たれる。
• 本研究では、標準的ヒッグス崩壊モードに依存しない、実用的で高有意水準の発見チャンネル（WW融合によるτ⁺τ⁻ + ジェット）を同定した。これは、もはや見えない状況下でも検出を保証する。
• 300 fb⁻¹の積分 luminosity において、すべての生存パラメータ点について、全チャンネル（WW融合を含む）の統計的有意水準が10を超える。これは、NMSSMヒッグス粒子発見における「負けなし定理」を支持する。
• 結果から、標準模型に類似したヒッグス粒子がLHCで発見されても標準的崩壊モードが観測されない場合、WW融合 + τ⁺τ⁻ + ジェット信号の専用探索を優先すべきであると示唆される。