[논문 리뷰] ATLAS discovery potential for a heavy charged Higgs boson

K. Assamagan, Y. Coadou외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 03. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 무거운 전하 쿠르티온 힉스 보손($H^\pm$)에 대한 ATLAS 검출기의 감도를 평가하며, 200–600 GeV 질량 범위에서 낮고 높은 $\tan\beta$ 영역 전반에 걸쳐 $H^\pm \to tb$ 및 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 붕괴 채널이 발견에 가장 유망한 것으로 집중한다. $5\sigma$ 발견 가능성이 $tb$ 채널에서는 약 400 GeV까지, $\tau\nu$ 채널에서는 약 600 GeV까지 확보 가능하며, 300 fb$^{-1}$ 루미노사티에서 질량과 $\tan\beta$의 정밀도는 각각 0.5–1.8% 및 5.4–7.4% 수준이다.

ABSTRACT

The sensitivity of the ATLAS detector to the discovery of a heavy charged Higgs boson is presented. Assuming a heavy SUSY spectrum, the most promising channels above the top quark mass are $H^\pm o tb$ and $H^\pm oτ^\pmν_τ$ which provide coverage in the low and high $ anβ$ regions up to $\sim 600$ GeV. The achievable precisions on the charged Higgs mass and $ anβ$ determination are also discussed. The $H^\pm o W^\pm h^0$ channel, though restricted to a small MSSM parameter space, shows a viable signal in NMSSM where the parameter space is less constrained. The observation of the channel $H^- oτ^-_Lν_τ+ c.c.$ may constitute a distinctive evidence for models with singlet neutrinos in large extra dimensions.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 확장된 힉스 섹터의 맥락에서 ATLAS 검출기의 무거운 전하 힉스 보손($H^\pm$)에 대한 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 다양한 $\tan\beta$ 및 질량 영역에서 $H^\pm$ 탐지에 가장 민감한 붕괴 채널을 규명하기 위해.
• 신호 재구성 및 운동량 분포를 활용하여 질량과 $\tan\beta$ 파rameter 측정의 정밀도를 평가하기 위해.
• NMSSM에서 LEP 제약 조건이 완화되는 점을 고려해 $H^\pm \to Wh^0$ 채널의 탐지 가능성 탐색하기 위해.
• 큰 추가 차원에서 단일성 중성자를 가진 모델에 대해 $H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$가 특징적인 서명으로서의 가능성 탐구하기 위해.

제안 방법

• 검출기 수준의 영향을 고려한 글루온 융합($gg \to tbH^\pm$) 및 탑 쿼크와의 연관 생성을 통한 $H^\pm$ 생성 시뮬레이션.
• 신호와 배경을 구분하기 위해 관측된 질량 및 횡방향 질량 재구성 기반의 $H^\pm \to tb$ 및 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 붕괴 채널 분석.
• $b$-제트 에너지 및 공선성의 차이를 활용해 $t\bar{t}b\bar{b}$ 및 $gg \to t\bar{t}b\bar{b}$ 배경를 억제하기 위한 운동량 절단 적용.
• 시스템적 불확실성 10%를 가정한 루미노사티 300 fb$^{-1}$ 조건에서 $\tan\beta$ 결정을 위해 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 붕괴 비율 활용.
• MSSM과 비교해 $h^0$의 질량이 낮고 제약 조건이 덜 강한 NMSSM에서의 $H^\pm \to Wh^0$ 평가.
• 저질량 영역에서 감도 향상을 위해 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 채널에 $\tau$-스핀 효과 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 검출기가 $H^\pm \to tb$ 붕괴 채널에서 다양한 $\tan\beta$ 값과 질량(최대 600 GeV)에 대해 무거운 전하 힉스 보손에 대해 어떤 정도의 발견 가능성을 가지는가?
• RQ2 300 fb$^{-1}$ 루미노사티 조건에서 $H^\pm \to tb$ 및 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 채널에서 전하 힉스 질량을 얼마나 정밀하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 MSSM에 제약된 매개변수 영역과 비교해 NMSSM에서 $H^\pm \to Wh^0$ 채널이 얼마나 유망한 발견 채널인가?
• RQ4 $\tau$ 스핀 측정이 가능하다면 $H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$ 붕괴 모드는 큰 추가 차원에서 단일성 중성자를 가진 모델에 대해 특징적인 서명으로 작용할 수 있는가?
• RQ5 $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 붕괴 비율에서 $\tan\beta$를 측정할 수 있는 정밀도는 얼마이며, 이는 $\tan\beta$에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• $H^\pm \to tb$ 채널은 낮고 높은 $\tan\beta$ 영역 모두에서 $H^\pm$ 질량이 약 400 GeV까지 $5\sigma$ 발견 가능성을 제공한다.
• $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$ 채널은 고 $\tan\beta$ 조건에서 특히 효과적이며, 질량 범위를 약 600 GeV까지 확장한다.
• 관측된 질량 또는 횡방향 질량 분포의 통계적 불확실성이 지배하는 조건에서, 질량은 약 200 GeV에서 0.5% 정밀도, 약 500 GeV에서 1.8% 정밀도로 측정 가능하다.
• 루미노사티 불확실성 10% 및 300 fb$^{-1}$ 루미노사티 조건을 가정할 때, $\tan\beta = 50$일 경우 정밀도는 5.4%, $\tan\beta = 20$일 경우 7.4%이다.
• LEP 제약 조건이 완화되는 NMSSM에서 $H^\pm \to Wh^0$ 채널은 이전에 배제되었던 매개변수 영역에 접근할 수 있는 유망한 발견 가능성을 보인다.
• $\tau$ 스핀 측정이 가능하다면 $H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$ 붕괴 모드는 큰 추가 차원에서 단일성 중성자를 가진 모델에 대해 특징적인 증거를 제공할 수 있다.