[論文レビュー] Production of two Higgses at the Large Hadron Collider in CP-violating MSSM

Priyotosh Bandyopadhyay, Katri Huitu|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CP非対称なMSSM架空の下でLHCにおける2つのヒッグスボソンの生成を調査し、100 GeV未塔の軽い、おそらく非可視ヒッグスボソン（「埋もれたヒッグス」）の発見可能性に注目している。PYTHIAおよびFastjetを用いたシミュレーションと標準模型（SM）のバックグラウンドを用い、$2b+2\tau$最終状態が極めて有望であることが判明。$\sim$10 fb$^{-1}$のフルエンスで5\sigmaの有意性に達し、二レプトン最終状態は軽いヒッグスボソンの質量ピークの高精度測定を可能にする。

ABSTRACT

Production of two Higgs bosons is studied in a CP violating supersymmetric scenario at the Large Hadron Collider with $E_{cm}=14$ TeV. There exists a region where a very light Higgs $\lesssim 50$ GeV could not be probed by LEP experiment. This leads to so called 'LEP hole' region. Recently LHC found a Higgs boson around $\sim 125$ GeV, which severely constrains the possibility of having lighter Higgs bosons, which cannot be detected, i.e., buried Higgs, in this model. We investigate the possibility of buried Higgs bosons along with the direct and indirect bounds coming from LEP, LHC and other experiments. In particular we take into account the constraints from EDM and from $B$-observables. We analyse first the case where a Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two Higgs masses are below 100 GeV and not observabed so far. In the second case the lightest Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two are decoupled. We analyse the production of two Higgses and their decay modes leading to various final states for these benchmark points. We perform a collider simulation with PYTHIA and Fastjet where we consider all the major backgrounds. Among the final states we have analysed, we find that $2b+2τ$ is promising and the signal significance is $5σ$ at an integrated luminosity $\lesssim 10$ fb$^{-1}$. For some benchmark points it is also possible to observe the light Higgs mass peak. We also explore the leptonic final state which could be instrumental in the precision measurement of a very light Higgs.

研究の動機と目的

• LEPで検出されなかった『LEPホール』の影響を受けるが、CP非対称なMSSMにおける軽いヒッグスボソン（『埋もれたヒッグス』）の発見可能性を調査すること。
• EDMおよび$B$物理学の観測値によって制約を受けるCP非対称MSSMフレームワーク下でのLHCにおけるヒッグス対生成の実現可能性を評価すること。
• 軽いヒッグスボソンの検出に最も感受性が高い最終状態を同定すること。
• 標準模型のバックグラウンドを伴う現実的なLHC条件下での、さまざまな最終状態における信号の有意性を評価すること。

提案手法

• PYTHIAおよびFastjetを用いて、$\sqrt{s} = 14$ TeVにおけるCP非対称MSSMでのヒッグス対生成をシミュレート。パートンシャワリングおよびジェット再構成に使用。
• 選択カットを適用して、$bb\tau\tau$、$bb\ell\ell$、$\ell\ell$、および$4\ell$最終状態を特定。特に$2b+2\tau$および二レプトンチャンネルに注目。
• 主なSMバックグラウンド（$t\bar{t}$、$VV$、$t\bar{t}Z$、$t\bar{t}W$、$t\bar{t}b\bar{b}$）を含み、詳細なバックグラウンド推定を実施。
• 10 fb$^{-1}$の統合フルエンスにおけるイベント数とバックグラウンド推定値を用いて、信号の有意性を計算。
• $bb$および$\tau\tau$対のインバリアント質量再構成により、ヒッグス質量ピークを特定。特に$m_{h_1} \sim 30$ GeVおよび$m_{h_2} \sim 95$ GeVに対して。
• 特に鉈（Tl）のEDM、$B_s \to \gamma s$、$B_s \to \mu\mu$の崩壊を含む、制約条件を用いて妥当なベンチマークポイントを定義。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPで検出されなかった100 GeV未塔の軽いヒッグスボソンが、CP非対称MSSMにおいてもLHCで発見可能か？
• RQ2 14 TeV中心系エネルギー下でのLHCにおけるヒッグス対生成において、どの最終状態が最高の信号有意性を示すか？
• RQ3 非常に軽いヒッグスボソン（$m_{h_1} \sim 30$ GeV）の質量ピークは、二レプトンまたは$b\bar{b}\tau\tau$最終状態で高精度に再構成可能か？
• RQ4 EDMおよびレア$B$崩壊からの制約が、CP非対称MSSMにおける埋もれたヒッグスの実現可能なパラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 どの最終状態においても、軽いヒッグスボソンの検出に5\sigmaの有意性を達成するためにはどのくらいのフルエンスが必要か？

主な発見

• $2b+2\tau$最終状態は、統合フルエンス$\sim$10 fb$^{-1}$で5\sigmaの有意性に達し、軽いヒッグスボソンの発見にとって最も有望なチャンネルである。
• 二レプトン最終状態（$2\ell$）は、ベンチマークポイントBP2で10 fb$^{-1}$で5\sigmaの有意性に達し、BP2における$h_1$質量ピークは7.6\sigmaの有意性を示す。
• BP2では、$\sim$30 GeVの$h_1$質量ピークが二レプトンチャンネルで高精度に再構成可能（7.6\sigmaの有意性）であるが、BP3ではより高いフルエンスが必要である。
• $4\ell$最終状態は、低フルエンス下で信号対バックグラウンド比が低いことから、限定的な可能性しか示さない。$m_{\ell\ell}$ウィンドウカットを適用しても同様。
• $H^\pm W^\mp$、$H^\pm h_i$、$H^\pm H^\mp$からのバックグラウンド寄与は、研究された最終状態では無視できる。
• 二レプトン最終状態の信号有意性は、10 fb$^{-1}$でBP1において3\sigmaを超える。これは、わずかなフルエンスで発見が可能である可能性を示唆する。