[論文レビュー] Observability of MSSM Higgs bosons via sparticle decay modes in CMS

F. Moortgat, S. Abdullin+1 more|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける重いMSSMヒッグスボソン（$A^0$, $H^0$）が次に軽い中性ノイザー（$\chi^0_2$）の対に崩壊し、その後 $\chi^0_2 \to l^+l^- \chi^0_1$ に至る過程について検討する。この過程により、4レプトン＋失われた横運動量の明確な署名が得られ、CMS検出器のシミュレーションを用いた分析により、中程度から中間の $\tan\beta$ の範囲で、質量230–450 GeVの重いヒッグスボソンの発見が可能であることが示された。中性ノイザーと sleptons が十分に軽量であれば、運動学的およびトポロジカルなカットによって背景が十分に抑制される。

ABSTRACT

We discuss the possibilities to observe the decays of heavy SUSY Higgs bosons into supersymmetric particles at the LHC. Such an observation would be of interest either in a discovery search if sparticle modes are the dominant ones, or in a study of additional decay modes, bringing information on the SUSY scenario potentially at work. We will focus on the most promising channel where the heavy neutral Higgses decay into a pair of next-to-lightest neutralinos, followed by their decay into two leptons and the LSP, thus leading to four isolated leptons + missing E_T as the main final state signature. A study with the CMS detector shows that the background (SM + SUSY) can be sufficiently suppressed and that in the mass region between m_A = 230 and 450 GeV, for low and intermediate values of tan beta, the signal would be visible provided neutralinos and sleptons are light enough.

研究の動機と目的

• 重いMSSMヒッグスボソン（$A^0$, $H^0$）が標準模型（SM）粒子ではなく超対称粒子に崩壊する場合の発見可能性を評価すること。
• 低$\tan\beta$領域において$\tau\tau$崩壊が抑制される状況で、$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ チャネルがSM崩壊モードの代替として有効であるかどうかを評価すること。
• 運動学的およびトポロジカルな選別基準を用いて、主なSMおよびSUSY背景（例：$ZZ$、スネュートリノ対生成、スパーティクル連鎖崩壊）を同定し、抑制すること。
• 競合する崩壊モードおよび背景寄与の影響を受ける中で、この信号が観測可能であるパラメータ空間（$m_A$, $\tan\beta$, $M_2$, $\mu$, $m_{\tilde{l}}$）を特定すること。

提案手法

• 本研究では、$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 崩壊チェーンの信号および背景イベントをモデル化するために、CMS検出器のシミュレーションフレームワークを用いた。
• 信号イベントはMSSMフレームワークに基づき生成され、$m_A$, $\tan\beta$, $\mu$, $M_1$, $M_2$, $m_{\tilde{l}}$, および $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$ の主要パラメータを変化させた。
• 背景抑制には複数の選別基準を適用：4つの分離したレプトンの要件、$E_T^{miss} > 40$ GeV、$Z$ボソン崩壊を除外するための$Z$ボソンバイト、および$E_T < 50$ GeVの2本以下のジェットに制限する。
• $ZZ$ 背景が主要なSM背景であるが、4レプトンおよび$Z$バイト要件により効果的に抑制される。
• スパーティクル由来の背景（例：スネュートリノ対生成、クォーク/グルーギノ連鎖崩壊）は、低ジェット多重度および$E_T^{miss}$カットにより緩和される。
• 発見可能性は100 $fb^{-1}$ の統合した放射線量で評価され、逐次的なカットを経た後のイベント数の統計的有意性によって信号の有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低$\tan\beta$領域においてSM崩壊モードが失敗する中で、$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 崩壊チャネルが重いMSSMヒッグスボソンに対して検出可能な信号を提供できるか？
• RQ2 運動学的およびトポロジカルなカットが、このチャネルにおける主要なSM背景（$ZZ$）およびSUSY背景（$\tilde{\nu}\tilde{\nu}$、$\tilde{q}/\tilde{g}$ カスケード）に対してどれほど効果的に抑制できるか？
• RQ3 $M_2$, $\mu$, $m_{\tilde{l}}$, および $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$ を変化させた場合、$m_A$–$\tan\beta$ 平面上での信号の可視性および発見範囲に与える影響は何か？
• RQ4 軽量のクォークおよびグルーギノが信号の有意性をどの程度損なうか、そして追加のカットによってこれを緩和できるか？
• RQ5 $\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$ の分岐比は$\mu$, $M_1$, $M_2$, および $m_{\tilde{l}}$ にどのように依存するか、そして全体の信号率に与える影響は何か？

主な発見

• $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ チャネルは、$\tan\beta \lesssim 40$ の範囲で100 $fb^{-1}$ の統合放射線量において、$m_A \sim$ 230–450 GeVの質量領域で明確で検出可能な署名を提供する。
• $M_2 \approx 120$ GeV、$\mu \approx -500$ GeV、$m_{\tilde{l}} \approx 250$ GeVの条件下でも、背景抑制が行われた中で信号は観測可能である。
• $ZZ$ 背景は主要なSM背景ではあるが、4レプトンおよび$Z$バイト要件により効果的に抑制される。
• スネュートリノ対生成およびクォーク/グルーギノ連鎖崩壊に起因するスパーティクル背景は、2本以下のジェット（$E_T < 50$ GeV）かつ$E_T^{miss}$の制限を課すことにより抑制される。
• $m_{\tilde{q},\tilde{g}} \lesssim 500$ GeVの範囲では、クォーク/グルーギノ背景はスネュートリノ生成と同等の大きさに達し、発見範囲を縮小するが、追加のカットにより依然として管理可能である。
• 信号の発見範囲は$|\mu|$および$m_{\tilde{l}}$に強く依存しており、$|\mu|$が大きく、$m_{\tilde{l}}$が小さいほど$\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$の分岐比が向上し、信号の可視性が向上する。