[論文レビュー] Unveiling the MSSM Neutral Higgs Bosons with Leptons and a Bottom Quark

Bariş Altunkaynak, Chung Kao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、14 TeVのセンター・オールスケールと300 fb⁻¹の統合ルミノシティのもとで、バリオンと中性Higgsボソンの関連生成に続く、タウレプトンの崩壊が電子・ミューオン対に至る過程（$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$）を通じて、最小超対称標準模型（MSSM）における中性Higgsボソンの発見可能性を調査する。$\tan\beta \approx 50$のとき$M_A \approx 800$ GeVまで$5\sigma$の発見領域が達成され、$\tan\beta \approx 60$では1 TeVを超える領域まで到達する。これは、$\tau$-ジェットチャネルと比較してよりクリアな位相空間と、ジェットタギングの不確実性が低減されていることによる。

ABSTRACT

We investigate the prospects for the discovery of neutral Higgs bosons produced with a bottom quark where the Higgs decays into a pair of tau leptons and the taus decay into an electron-muon pair, i.e. $bg o bϕ^0 o bτ^+τ^- o be^\pmμ^\mp + E\!\!\!/_T$, $ϕ^0 = h^0, H^0, A^0$. Our study has been done within the framework of the Minimal Supersymmetric Standard Model. We consider the dominant physics backgrounds including the production of Drell-Yan processes ($bτ^+τ^-$ and $jτ^+τ^-, j = q, g$), top quark pair ($t\bar{t}$), $tW$ and $jWW$ with realistic acceptance cuts and efficiencies. We present $5σ$ discovery contours for the neutral Higgs bosons in the ($M_A, anβ$) plane as well as the region with a favored light Higgs mass (123 GeV $\le m_h\le$ 129 GeV). Promising results are found for the CP-odd pseudoscalar ($A^0$) and the heavier CP-even scalar ($H^0$) Higgs bosons with masses up to 800 GeV and $ anβ\simeq 50$ at the LHC with a center of mass energy ($\sqrt{s}$) of 14 TeV and an integrated luminosity ($L$) of 300 fb$^{-1}$. With $\sqrt{s} =$ 14 TeV and $L =$ 3000 fb$^{-1}$, LHC will be able to discover the Higgs pseudoscalar and the heavier Higgs scalar beyond $M_A = 1000$ GeV.

研究の動機と目的

• 最終状態に電荷反対の電子・ミューオン対と運動量の欠損を伴う、$\tau$-ジェットを含まないクリアなシグナルを用いて、中性MSSMヒッグス粒子を探索すること。
• LHCにおける$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$過程を通じて、$h^0$、$H^0$、$A^0$の発見可能性を評価すること。
• 現実的な受容性カット、検出器効率、および主要なバックグラウンド（Drell-Yan、$t\bar{t}$、$tW$、$jWW$）がシグナルの観測可能性に与える影響を評価すること。
• さまざまなルミノシティおよびエネルギー条件の下で、($M_A$, $\tan\beta$)平面における$5\sigma$発見領域の輪郭を特定すること。
• 現在のLHCの除外限界に整合する、重いSUSYスペクトル下でのMSSMヒッグス系の探査領域を検討すること。

提案手法

• シグナル過程は$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$であり、$\phi^0 = h^0, H^0, A^0$としてMSSMフレームワーク内で検討される。
• 主要なバックグラウンド（Drell-Yan（$b\tau^+\tau^-$、$j\tau^+\tau^-$）、$t\bar{t}$、$tW$、$jWW$）の計算において、スピン相関を完全に取り入れる。
• 現実的なLHC条件を再現するために、受容性カットと検出器効率を適用し、信号対バックグラウンド比を向上させるために$\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$変数を導入する。
• 信号およびバックグラウンド断面積は、$\sqrt{s} = 14$ TeVで部分子レベルで計算され、30、300、3000 fb⁻¹の統合ルミノシティに対して$5\sigma$発見領域の輪郭が導出された。
• SUSYの寄与を低減するために、重いSUSYスペクトル（$M_{\text{SUSY}} = 1$ TeV）を仮定し、ヒッグス生成と崩壊に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVのLHCと300 fb⁻¹のルミノシティのもとで、$\sqrt{s} = 14$ TeV、$L = 300$ fb⁻¹の条件下で、$be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$最終状態におけるMSSM中性ヒッグスボソンの$5\sigma$発見領域はどの程度か？
• RQ2 $bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$過程において、$M_A$と$\tan\beta$の変化に伴うシグナル断面積とバックグラウンド抑制の変化は？
• RQ3 $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$カットが高質量領域におけるシグナルの有意性をどの程度向上させるか？
• RQ4 さまざまなヒッグス状態（$A^0$、$H^0$、$h^0$）および異なるルミノシティにおける発見可能性は、どのように比較されるか？
• RQ5 $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$チャネルは、$\tau$-ジェットベースのチャネルと比較して、バックグラウンド抑制およびタギングの不確実性の低減という点で、どの程度優れているか？

主な発見

• 14 TeVと300 fb⁻¹の条件では、$\tan\beta \approx 50$のとき$M_A \approx 800$ GeVまで$5\sigma$の発見領域が達成され、$\tan\beta \approx 60$では$M_A = 1$ TeVに近い領域まで到達する。
• 14 TeVのエネルギーで$M_A = 800$ GeV、$\tan\beta = 50$のとき、シグナル断面積は約1.5 fbである。
• 低$M_A$領域ではDrell-Yanプロセスが主要なバックグラウンドであり、高$M_A$領域では$t\bar{t}$と$tW$が支配的である。
• $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$カットは、特に高質量領域でシグナルの有意性を顕著に向上させる。
• $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$チャネルは、$\tau$-ジェットタギングに起因する不確実性を排除することで、$\tau$-ジェットベースのチャネルに比べてよりクリアな代替手段を提供する。
• 3000 fb⁻¹のルミノシティでは、$\tan\beta$が大きい場合に$M_A = 1000$ GeVを超える$A^0$および$H^0$ヒッグスボソンをプローブ可能となる。