[論文レビュー] Scope of Higgs production in association with a bottom quark pair in probing the Higgs sector of the NMSSM at the LHC

M. M. Almarashi, Stefano Moretti|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、大規模な $\tan\beta$ の下で、NMSSM における底クォーク対との連関生成を通じて、非常に軽い CP 奇性ヒッグスボソン $a_1$ が LHC で検出可能かどうかを調査する。$\tau^+\tau^-$ および $\mu^+\mu^-$ の崩壊モードが最適な発見チャネルであると特定し、MSSM では入手不可能なこのような軽い $a_1$ 状態が検出可能であり、MSSM を超える非最小的ヒッグス系の強力な証拠を提供することを示している。

ABSTRACT

We review the potential of the LHC to detect a very light CP-odd Higgs boson of the NMSSM, $a_1$, through its direct production in association with a bottom-quark pair at large tan$β$. We also review the LHC discovery potential of the two lightest CP-even Higgs states, decaying into two lighter Higgs states or into the lightest CP-odd Higgs state and the $Z$ gauge boson.

研究の動機と目的

• NMSSM における非常に軽い CP 奇性ヒッグスボソン $a_1$ の LHC 発見可能性を評価すること。
• 大規模な $\tan\beta$ の下で、底クォーク対との連関生成が、MSSM の制限を超えて $a_1$ の検出を可能にするかを検討すること。
• $\tau^+\tau^-$、$\mu^+\mu^-$、$\gamma\gamma$ の崩壊モードにおける、巨大な QCD 背景の下でも $a_1$ 発見の可能性を評価すること。
• ヒッグス粒子同士の崩壊（例：$h_1 \to a_1 a_1$）が信号率を増幅させ、複数のヒッグス状態を同時に検出可能にする役割を調査すること。
• NMSSM ヒッグス理論における「No-lose」および「More-to-gain」定理を LHC の文脈で検証すること。

提案手法

• 2つのダブレットと1つのシングレット超多重項からなる超対称理論における NMSSM ヒッグス系を分析し、3つの CP 偶性、2つの CP 奇性、および電荷を帯びたヒッグス状態を含む。
• $\lambda$ および $\kappa$ の結合定数を含む NMSSM の超ポテンシャルを用い、有効な $\mu$ 項を生成するとともに、$U(1)_{PQ}$ 対称性の破れを実現し、アキソンやドメインウォール問題を回避する。
• F項、D項、およびソフト対称性破れ項を含むスカラー・ポテンシャルを構築し、$H_u$、$H_d$、$S$ の真空期待値を設定する。
• 大規模な $\tan\beta$ の領域における LHC での $b\bar{b}$ 対との連関生成によるヒッグス生成の現象論的分析を実施する。
• 主要な背景と運動量的カットを用いて、$a_1$ の $\tau^+\tau^-$、$\mu^+\mu^-$、$b\bar{b}$、$\gamma\gamma$ 崩壊における信号対背景比を評価する。
• NMSSM では可能だが MSSM では不可能な、ヒッグス粒子同士の崩壊（例：$h_1 \to a_1 a_1$、$h_2 \to a_1 a_1$、$h_2 \to h_1 h_1$）を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な $\tan\beta$ の下で、LHC が底クォーク対との連関生成を通じて、$m_{a_1} \lesssim M_Z$ の非常に軽い CP 奇性ヒッグスボソン $a_1$ を検出可能か？
• RQ2 $a_1$ のどの崩壊モードが LHC での発見において最高の信号対背景比を提供するか？
• RQ3 NMSSM におけるヒッグス粒子同士の崩壊が、複数のヒッグス状態を同時に検出可能にする可能性をどの程度高めるか？
• RQ4 $\gamma\gamma$ 崩壊モードは、巨大な QCD 背景の下でも発見に有効か？
• RQ5 LHC は、連関生成とカスケード崩壊を通じて、$h_1$、$h_2$、$a_1$ を同時に検出可能か？

主な発見

• $\tan\beta$ が大きい領域では $b\bar{b}$ 連関生成モードが支配的であり、非常に軽い $a_1$ の検出に最も有利な生成チャネルである。
• $\tau^+\tau^-$ 崩壊モードは、$M_Z$ までの質量範囲で $a_1$ の発見を可能にし、背景が管理可能でクリアなシグナルを提供する。
• $\mu^+\mu^-$ 崩壊モードは、$10 \lesssim m_{a_1} \lesssim 60$ GeV の質量範囲で $a_1$ を検出可能であり、信号対背景比が良好である。
• $b\bar{b}$ 崩壊モードはBrが最大であるが、圧倒的な QCD 背景と低い信号対背景比のため、発見には不適切である。
• $\gamma\gamma$ 崩壊モードは、一部のパラメータ領域では支配的であるが、信号の有意水準が不十分なため、発見チャネルとして不適切である。
• $h_1 \to a_1 a_1$ や $h_2 \to a_1 a_1$ のようなヒッグス粒子同士の崩壊は、NMSSM のパラメータ空間の広い領域で支配的であり、複数のヒッグス状態の同時に検出を可能にし、「More-to-gain」定理を支持する。