[論文レビュー] Summary of the CMS Discovery Potential for the MSSM SUSY Higgses

D. Denegri, V. Drollinger+7 more|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、詳細な検出器シミュレーションを用いて、MSSMにおけるヒッグスボソンのCMS実験による発見可能性を評価している。30 fb$^{-1}$の統合した断面積において、軽いヒッグスボソンに対しては $h\to\gamma\gamma$ と $h\to b\bar{b}$ が最も効果的であると特定された。一方、重いヒッグスボソンに対しては、$A,H\to\tau\tau$ および $H^{\pm}\to\tau\nu$ が最も広い探索範囲を提供する。また、スパートリクルが軽い低 $\tan\beta$ 範囲では、$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ が重要な補完的役割を果たす。

ABSTRACT

This work summarises the present understanding of the expected MSSM SUSY Higgs reach for CMS. Many of the studies presented here result from detailed detector simulations incorporating final CMS detector design and response. With 30 fb-1 the h -> gamma,gamma and h -> bb channels allow to cover most of the MSSM parameter space. For the massive A,H,H+ MSSM Higgs states the channels A,H -> tau,tau and H+ -> tau,nu turn out to be the most profitable ones in terms of mass reach and parameter space coverage. Consequently CMS has made a big effort to trigger efficiently on taus. Provided neutralinos and sleptons are not too heavy, there is an interesting complementarity in the reaches for A,H -> tau,tau and A,H -> chi,chi.

研究の動機と目的

• MSSMヒッグスボソンのCMS検出器による発見探索範囲を、複数の崩壊モードで評価すること。
• 特に高 $\tan\beta$ および重いヒッグス状態において、全MSSMパラメータ空間をカバーするのに最も感受性が高い最終状態を同定すること。
• 標準模型崩壊モードとニュートリノおよびスレプトンへの非可視崩壊との補完性を評価すること。
• $\tau$ レプトンおよび運動量未測定エネルギーのためのトリガーと再構成戦略を支援すること。
• CMS検出器設計の進化に伴い、将来的なフルシミュレーション研究のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 二ループ/RGE補正を施したヒッグス質量および結合定数の計算を用い、PYTHIA 5.7および6.1でイベント生成を実施した。
• 偏極した $\tau$ レプトンの崩壊をシミュレートするために TAUOLA を使用し、断面積および分岐比の正規化には HDECAY を用いた。
• CMSJETを用いた高速シミュレーションを実施し、主要な検出器効果について、フルGEANTベースのシミュレーション（CMSIM, ORCA）による検証を実施した。
• 主なチャネルに焦点を当てた：$h\to\gamma\gamma$, $h\to b\bar{b}$, $A,H\to\mu\mu$, $A,H\to\tau\tau$（2レプトン、レプトン＋ジェット、2ジェット最終状態を含む）、$H^{\pm}\to\tau\nu$, $H^{\pm}\to tb$, および $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$。
• 30 fb$^{-1}$および100 fb$^{-1}$の統合した光度を用いて、$m_A$–$\tan\beta$ 平面上での発見探索範囲を定量化した。
• 背景レベルおよび検出器性能（特に $\tau$-タギング、b-タギング、ジェットエネルギー分解能、運動量未測定エネルギー）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 fb$^{-1}$におけるCMS検出器において、MSSMヒッグスボソンの発見探索範囲を広くカバーする主な崩壊モードは何か？
• RQ2 2-$\tau$-ジェット最終状態を含む $\tau\tau$ 最終状態は、重いヒッグスボソンの質量分解能と探索範囲をどのように向上させるか？
• RQ3 どのパラメータ領域で、$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ チャネルが標準模型崩壊モードと補完的発見可能性を提供するか？
• RQ4 チャネルHiggs探索において、$H^{\pm}\to\tau\nu$ と $H^{\pm}\to tb$ の感度はどのように比較されるか？
• RQ5 $h\to\gamma\gamma$ と $h\to b\bar{b}$ はMSSMパラメータ空間をどの程度カバーするか？30 fb$^{-1}$で残るギャップはどこにあるか？

主な発見

• 30 fb$^{-1}$の統合光度では、$h\to\gamma\gamma$ および $h\to b\bar{b}$ が、特に混合のない状況下でMSSMパラメータ空間の大部分をカバーする。
• 重い中性ヒッグスボソン（$A$, $H$）に対しては、2-$\tau$-ジェット最終状態を伴う $A,H\to\tau\tau$ が、約14％の優れた質量分解能を示し、高エネルギー領域への探索範囲を拡張する。
• スパートリクルが軽い低 $\tan\beta$ 範囲では、$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ チャネルが顕著な補完的役割を果たし、クリアなレプトンのサインチャにより背景を低減する。
• $gb\to tH^{\pm}$ イベントにおける $H^{\pm}\to\tau\nu$ 崩壊は、信号対背景比が極めて高いため、チャネルHiggsの発見に最も有利なチャネルである。
• 最大のストップ混合が見られる $m_A \sim 120$ GeV および $\tan\beta \sim 5$ の近傍に、わずかな未探索領域が残っており、60 fb$^{-1}$で閉じられることになる。
• 今後の弱いボソン融合（$qq\to qqH$）の研究において、$H\to\tau\tau$ および $H\to\gamma\gamma$ を用いることで、MSSMパラメータ空間全体をカバー可能となる可能性があるが、確認にはフルシミュレーションが必要である。