[논문 리뷰] Characterizing simplified models for heavy Higgs decays to supersymmetric particles

Suchita Kulkarni, L. Lechner|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 117인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현상학적 MSSM(pMSSM) 내에서 무거운 힉스 보손의 붕괴 모드를 초구대칭 입자로 분류하기 위해 SModelS 프레임워크를 사용하며, 빈티드 및 힉스노이드 유사 LSP의 경우 주로 단일-X(X = h, W, Z) 최종 상태가 지배적이며, 14 TeV에서 최대 10 fb의 단면적을 가짐. 또한, 큰 단면적(~80 fb)을 가진 윈오 유사 LSP 시나리오에서는 이격된 병합점 서명이 나타나며, 고광도 LHC에서 pMSSM 매개변수 공간 전반을 탐색하기 위해 표준모형(SM) 최종 상태를 초월한 공명 탐색의 필요성을 강조함.

ABSTRACT

The search for heavy Higgs bosons is an important step to probe the parameter space of the Minimal Supersymmetric Standard Model. In this work, we classify all possible decay modes of the supersymmetric heavy Higgs boson using the SModelS framework. We work within the phenomenological MSSM and use the ATLAS pMSSM study as our viable parameter space. We find that for a bino-like and higgsino-like LSP, a significant region of the parameter space results in mono-$X$ ($X$ = $h$, $W$, $Z$) final states. For wino-like LSPs, we demonstrate the existence of displaced vertex signatures with a large signal cross section. Finally, we argue that by covering the mono-$X$ final states, a large part of heavy Higgs decays can be tested at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 현상학적 MSSM(pMSSM) 내에서 무거운 힉스 보손이 초구대칭 입자로 붕괴하는 방식을 체계적으로 분류하는 것.
• 무거운 힉스 보손이 초구대칭 최종 상태로 붕괴할 때 LHC에서 지배적인 서명을 식별하는 것, 특히 BSM 입자로의 붕괴 분율이 큰 영역에서의 경우.
• 현재 및 향후 LHC 데이터를 활용하여 pMSSM 매개변수 공간을 탐색하기 위해 단일-X(X = h, W, Z) 및 이격된 병합점 서명의 타당성을 평가하는 것.
• BSM 붕괴가 지배할 경우 표준모형 기반 힉스 탐색이 pMSSM 매개변수 공간 전반을 커버하지 못하는 한계를 평가하는 것.
• SModelS 프레임워크가 무거운 힉스 보손의 초구대칭 입자로의 공명 붕괴를 분류하는 데 효과적으로 활용될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• Z2 대칭을 기반으로 복잡한 pMSSM 시나리오를 단순화 모델 구조로 분해하기 위해 SModelS 프레임워크를 활용함.
• 분석을 위한 실현 가능하고 실험적으로 제약된 매개변수 공간을 정의하기 위해 ATLAS의 pMSSM 연구를 적용함.
• 중성노/창지노 쌍으로의 무거운 CP-짝성 힉스(H) 붕괴 분율을 분석하며, 이후 LSP 및 게이지 또는 힉스 보손으로의 붕괴를 고려함.
• 글루온 융합 및 바텀 쿼크 결합을 통한 pp → H 생성 단면적을 계산하고, 이후 초구대칭 입자로의 붕괴를 분석함.
• 특히 윈오 유사 LSP의 경우 단일-제트, 단일-보손(단일-h, 단일-W, 단일-Z), 그리고 이격된 병합점을 포함한 신호 서명을 평가함.
• √s = 14 TeV에서 19차원의 pMSSM 매개변수 공간 전반에 걸쳐 통계적 조사를 수행하여 지배적인 구조와 그 단면적을 식별함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pMSSM 내에서 무거운 힉스 보손의 초구대칭 입자로의 붕괴에 대해 어떤 단순화 모델 구조가 지배적인가?
• RQ2 다양한 LSP 유형(bino-, wino-, higgsino-유사)에 대해 실현 가능한 pMSSM 매개변수 공간 내에서 지배적인 최종 상태(예: 단일-X, 이격된 병합점)는 무엇인가?
• RQ3 고광도 LHC에서 이러한 지배적인 서명의 생산 및 붕괴 단면적은 얼마나 큰가?
• RQ4 BSM 붕괴가 지배할 경우 현재의 SM 기반 힉스 탐색이 pMSSM 매개변수 공간 전반을 커버하지 못하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 SModelS 프레임워크는 무거운 힉스 보손의 초구대칭 최종 상태로의 공명 붕괴를 효과적으로 분류하는 데 확장 가능한가?

주요 결과

• 빈티드 및 힉스노이드 유사 LSP의 경우, 단일-X(X = h, W, Z) 최종 상태가 지배적이며, √s = 14 TeV에서 최대 10 fb의 생산 단면적을 가짐.
• 윈오 유사 LSP 시나리오에서는 경량 창지노와 LSP 사이의 작은 질량 분리(Δm < 5 GeV)로 인해 이격된 병합점 서명이 나타나며, 신호 단면적은 최대 80 fb까지 가능함.
• 무거운 힉스 보손의 주요 생산 모드는 바텀 쿼크 결합(ttH)으로, 분석된 pMSSM 매개변수 공간의 약 98%를 차지하며, 이는 단일-X 최종 상태에서 관련된 b-제트를 유도함.
• 장거리 캐스케이드 붕괴 서명은 무시할 수 있을 정도로 낮아, 스파articles로의 무거운 힉스 붕괴가 주로 간단하고 즉각적인 붕괴 구조를 형성함.
• 직접적인 SM 기반 힉스 탐색은 BSM 붕괴가 지배하는 영역에서는 pMSSM 매개변수 공간 전반을 커버하지 못함.
• 이 연구는 단일-X 최종 상태를 커버함으로써 고에너지 물리 실험에서 무거운 힉스 보손의 초구대칭 입자로의 붕괴의 대부분을 테스트할 수 있음을 보여줌.