[논문 리뷰] BSM Higgs Studies at the LHC in the Forward Proton Mode

S. Heinemeyer, V. A. Khoze외 3명|ArXiv.org|2009. 09. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 중심점제외형 분열(CED)을 통해 뒷받침되지 않은 표준모형(Higgs) 보손의 생성을 연구하며, 전방 프로톤 검출기를 사용하여 고해상도 질량 측정과 정밀한 결합 상수 측정이 가능하다. CED는 특히 $b\bar{b}$ 및 $\tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에서 MSSM 및 4세대 힉스 보손에 대해 강력한 감도를 보이며, LEP 및 테바트론 탐색에서 제외된 질량 영역에서의 발견 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

The prospects for central exclusive diffractive (CED) production of BSM Higgs bosons at the LHC are reviewed. This comprises the production of MSSM and 4th generation Higgs bosons. The sensitivity of the searches in the forward proton mode for the Higgs bosons as well as the possibility of a coupling structure determination are briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 중앙점제외형(CED) 생성을 통해 LHC에서 BSM 힉스 보손을 탐지할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• 특히 LEP 및 테바트론 제약 조건으로 인해 표준모형 힉스가 제외된 영역에서 MSSM 힉스 보손에 대한 CED 탐색의 감도를 평가하기 위해.
• SM4 모델에서 글루온과의 결합이 9배로 증가하는 점을 감안해, CED 생성이 4세대 힉스 모델을 탐색하는 데의 잠재력을 조사하기 위해.
• 특히 바텀 쿼크에 대한 얀다 쿠퍼링 결합과 힉스 양자수를 중심점제외 생성을 통해 측정할 수 있는 가능성을 결정하기 위해.
• 이전의 CED 연구를 업데이트하기 위해, 최신 이론 입력(예: 업데이트된 힉스 너비 계산 및 배경 평가)을 포함하기 위해.

제안 방법

• 중앙점제외형(CED) 생성 과정인 $pp \to p \oplus H \oplus p$를 사용하며, 중심 상태 $H$는 큰 빠르기 갭을 가진 채널에서 생성되며, 전방 프로톤 검출기로 완전한 프로톤을 검출한다.
• 청결한 양자수 결정을 위해 $J_z = 0$, ${\cal CP}$-even 선택 규칙를 적용하며, 주로 $0^+$ 상태를 선호한다.
• 정밀한 MSSM 힉스 붕괴 비율 및 부분 너비 계산을 위해 개선된 FeynHiggs 코드를 사용하며, 고차항 보정을 포함한다.
• 배경 기여를 평가하기 위해 Refs. [19, 20]의 최신 이론적 추정치를 사용하여 신호의 유의성 예측을 향상시킨다.
• LEP 및 테바트론 힉스 탐색 결과에서의 배제 한계를 결정하기 위해 HiggsBounds [23]를 사용하여 향후 연구를 위한 허용 질량 영역을 정의한다.
• 다양한 루미노시티 시나리오(60, 600 fb$^{-1}$ 및 이중 효과 루미노시티)에서 $H \to b\bar{b}$ 및 $H \to \tau^+\tau^-$ 붕괴 채널에 대한 유의성 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LEP 및 테바트론 제약 조건으로 인해 제외된 질량 영역에서, $M_h^{\rm max}$ 벤치마크 시나리오에서 MSSM 힉스 보손에 대한 전방 프로톤 검출의 감도는 어떠한가?
• RQ2 LHC에서의 CED 생성이 바텀 쿼크 얀다 쿠퍼링 결합을 포함한 힉스 결합 상수의 구조를 고정밀도로 해석할 수 있는가?
• RQ3 SM4 모델에서 증가된 글루온 결합이 CED 채널에서 힉스 보손의 발견 가능성을 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 $H \to b\bar{b}$ 및 $H \to \tau^+\tau^-$ 붕괴 모드에서 SM4 힉스 보손의 유의미한 발견 가능성을 달성하기 위해 필요한 루미노시티 요구 조건은 무엇인가?
• RQ5 LEP 및 테바트론에 의해 제외된 $112-145$ GeV 창문을 초월한 질량 범위에서, CED 생성이 SM4 힉스 보손 탐지에 있어 유효한가?

주요 결과

• MSSM 힉스 보손에 대해 CED $H \to b\bar{b}$ 채널은 표준모형보다 훨씬 높은 질량까지 강력한 발견 가능성을 제공하며, 특히 큰 $\tan\beta$ 및 작은 $M_A$ 조건에서 그러하다.
• SM4 모델의 경우, $112\,\text{GeV} \lesssim M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$ 질량 창문은 LEP 및 테바트론에 의해 여전히 제외되지 않아, CED 연구의 주요 타겟이 된다.
• SM4의 $H \to b\bar{b}$ 채널은 $60\,\text{fb}^{-1}$ 효과 루미노시티에서 $M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$ 범위에서 $>5\sigma$의 유의성을 확보하며, 낮은 루미노시티에서도 높은 감도를 보임.
• SM4의 $H \to \tau^+\tau^-$ 채널은 $5\sigma$ 유의성을 달성하기 위해 더 높은 루미노시티($600\,\text{fb}^{-1}$)가 필요하지만, 고루미노시티 조건에서는 여전히 타당하다.
• 질량이 $M_{H^{\rm SM4}} \gtrsim 220\,\text{GeV}$ 이상일 경우, $H \to WW, ZZ$ 붕괴 모드에서 발견 가능성이 열릴 수 있으나, 아직 분석이 이루어지지 않았다.
• CED 생성은 중심 질량과 프로톤의 에너지 손실 간의 직접적 관계 덕분에, 붕괴 모드에 관계없이 뛰어난 질량 해상도를 제공한다.