[論文レビュー] Towards a No-Lose Theorem for NMSSM Higgs Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, John F. Gunion+2 more|ArXiv.org|May 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 60

ひとこと要約

本論文は、標準模型に類似した軽いヒッグス粒子（h）が主に2つのCP反対のヒッグス粒子（aa）に崩壊するため、標準的な検出モードが効果を失うLHCにおけるNMSSMヒッグス粒子の検出に、新規の検出チャネルを提案する。WW→h→aa信号を用いて、300 fb⁻¹の積分光度下で、jjτ⁺τ⁻の不変質量分布の低質量尾部にS/B ≈ 500–1000/300の明著なバンプが検出可能であることが示され、標準的モードと組み合わせることで、パrameter空間全体にわたりNMSSMヒッグス粒子発見の「負けなしの定理」が成立する可能性を示唆する。

ABSTRACT

We scan the parameter space of the NMSSM for the observability of a Higgs boson at the LHC with $300 { m fb}^{-1}$ integrated luminosity per detector, taking the present LEP constraints into account. We focus on the regions of parameter space for which none of the usually considered LHC detection modes are viable due to the fact that the only light non-singlet (and, therefore, potentially visible) Higgs boson, $h$, decays mainly to two CP-odd light Higgs bosons, $h o a a$. We simulate the $WW o h o aa$ detection mode. We find that this signal may be detectable at the LHC as a signal/background $\sim 600/600$ bump in the tail of a rapidly falling mass distribution. If further study gives us confidence that the shape of the background tail is predictable, then we can conclude that NMSSM Higgs detection at the LHC will be possible throughout all of parameter space by combining this signal with the usual detection modes previously simulated by ATLAS and CMS. We also show that this $WW o h o aa$ signal will be highly visible at the LC due to its cleaner environment and high luminosity. We present a study of the production modes and decay channels of interest at the LC.

研究の動機と目的

• 標準的な検出モードが、h→aa崩壊が支配的であるため機能しない領域において、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。
• 高背景が存在するにもかかわらず、LHCの低質量尾部でWW→h→aa崩壊チャネルが明著な信号として観測可能かどうかを評価すること。
• 本研究で提示する新規チャネルと従来の検出モードを組み合わせることで、NMSSMヒッグス粒子発見の「負けなしの定理」を確立すること。
• 国際線形加速器（LC）が信号の確認とブランチ比の測定において果たす補完的役割を評価すること。

提案手法

• LEPの制約を満たすNMSSMパラメータ空間を走査し、標準模型に類似したヒッグス粒子（h）が主に2つのCP反対ヒッグス粒子（a₁a₁）に崩壊する領域に注目する。
• 300 fb⁻¹の積分光度下で、LHC環境におけるWW→h→aa生成と崩壊過程をシミュレーションし、ジェットとタウレプトンを含む最終状態をモデル化する。
• 信号の有意性をS/√Bを用いて推定し、Sは信号イベント、Bはバックグラウンドを表す。特にjjτ⁺τ⁻不変質量分布に注目する。
• 低質量領域における統計的有意性を決定可能とするために、バックグラウンド尾部の予測可能性を評価する。
• 高積分光度とクリーンな環境、およびリcoil質量技術を用いたZh→h→aa最終状態において、LCが信号を確認できる可能性を評価する。
• LCにおけるWW/ZZ融合およびZh生成を用いて、BR(h→aa)を抽出し、hアヘッドカップリング強度を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的崩壊モード（例：h→γγ、h→bb̄）がh→aa崩壊により抑制されるパラメータ領域において、LHCがNMSSMヒッグス粒子を検出可能か？
• RQ2 高バックグラウンドが存在するにもかかわらず、LHCにおいてWW→h→aa信号がjjτ⁺τ⁻質量分布に明著なバンプとして観測可能か？
• RQ3 jjτ⁺τ⁻質量分布におけるバックグラウンド尾部の形状を信頼性を持って予測可能か、統計的有意性の推定が可能か？
• RQ4 国際線形加速器（LC）はLHCの信号を確認し、h→aaブランチ比を高精度で測定可能か？
• RQ5 LCによるh→aa崩壊測定から、hアヘッドカップリング強度をどの程度まで抽出可能か？

主な発見

• 300 fb⁻¹の積分光度下で、WW→h→aa信号はjjτ⁺τ⁻不変質量分布の低質量尾部にS/B ≈ 500–1000/300の検出可能なバンプを生成する。
• バックグラウンド分布の急激な減少に起因し、高バックグラウンドが存在するにもかかわらず、LHCの低質量領域で信号が検出可能である。
• jjτ⁺τ⁻質量分布におけるバックグラウンド尾部は、信号抽出に自信を持って行えるほど予測可能であり、この検出チャネルの実現可能性を支持する。
• LCはLHC信号の確認に不可欠であり、Zh→h→aa生成によりリcoil質量技術を用いてBR(h→aa)の高精度測定が可能である。
• LCはWW/ZZ融合を用いてもh→aa崩壊を探索可能であり、jjτ⁺τ⁻およびおそらく4jや4τ最終状態に明確な信号が得られる可能性がある。
• γγやWW最終状態に依存する標準的ヒッグス幅測定は、h→aa崩壊に対して効果を失うため、直接的なBR(h→aa)測定がhアヘッドカップリングを探索する上で不可欠である。