[논문 리뷰] Closing the Wedge with 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 at the LHC: A Snowmass White Paper

Ian Lewis|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 MSSM에서 무거운 중성 힉스 보손에 대한 LHC의 감도를 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹의 통합 루미너시티를 사용하여 예측하며, τ⁺τ⁻ 및 hZ 붕괴 채널에 집중한다. 3000 fb⁻¹일 경우 ATLAS와 CMS는 각각 m_h^max 시나리오에서 M_A < 360–390 GeV 및 M_A < 410–460 GeV를 배제할 수 있으며, 이는 MSSM 힉스 섹터의 잔류 매개변수 공간을 크게 축소시킨다.

ABSTRACT

The discovery of a Higgs boson at the LHC begins the era of directly measuring the mechanism of electroweak symmetry breaking (EWSB). Searching for extensions of the Standard Model (SM) EWSB sector at the LHC is of vital importance. An important extension of the SM with an extended EWSB sector is the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). In this white paper, we extend current ATLAS and CMS bounds on direct searches for the heavy MSSM neutral Higgs bosons to 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 of data at the LHC. In particular we focus on the τ^+τ^- channel and the pseudoscalar decay to light Higgs boson and Z, with additional discussion on how to further close the wedge.

연구 동기 및 목표

• 현재의 LHC 한계를 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹의 데이터로 확장하여 무거운 MSSM 힉스 보손(H 및 A)에 대한 한계를 설정하는 것.
• 다양한 MSSM 벤치마크 시나리오에서 H/A → τ⁺τ⁻ 붕괴 채널의 발견 가능성을 평가하는 것.
• 기존의 Vh 검색 한계를 활용하여 낮은 tanβ에서 A → hZ 붕괴 모드에 대한 감도를 평가하는 것.
• M₂를 2 TeV으로 증가시킬 경우 τ⁺τ⁻ 분해비율이 어떻게 향상되고 H/A → τ⁺τ⁻ 채널의 탐지 가능성이 어떻게 향상되는지 탐색하는 것.
• 잔류된 '웨지'(wedge) 매개변수 공간을 닫을 수 있는 주요 채널과 루미너시티 임계값을 식별하는 것.

제안 방법

• FeynHiggs를 통해 MSSM 힉스 보손의 이론적 생산 단면적과 분해비율을 사용하여 현재 ATLAS 및 CMS의 직접 검색 한계를 외삽하는 것.
• MSSM 및 SM 부분 폭의 비율을 통해 SM 힉스 생산 비율(구형융합 및 b̄b 결합)을 조정하여 H 및 A 생산 단면적을 계산하는 것.
• bbh@nnlo 프로그램을 사용하여 b̄b → h의 NNLO QCD 계산을 통해 바텀 쿼크 융합 비율의 정확도를 향상시키는 것.
• FeynHiggs 패키지를 사용하여 분해비율과 붕괴 폭을 평가하며, m_h^max, m_h^mod+, 및 m_h^mod− 벤치마크의 입력 매개변수를 사용하는 것.
• 낮은 tanβ에서 A → hZ 비율을 추정하기 위해 기존의 Vh(V = W/Z) 검색 한계를 재평가하며, SM Vh 비율을 상한선으로 간주하는 것.
• 300 및 3000 fb⁻¹에서 기대되는 통계적 유의도와 신호 대 배경 비율을 바탕으로 H/A → τ⁺τ⁻ 및 A → hZ 채널의 감도 예측을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 fb⁻¹ 및 3000 fb⁻¹에서 τ⁺τ⁻ 최종 상태에서 무거운 MSSM 힉스 보손 H 및 A에 대한 예측된 배제 영역은 무엇인가?
• RQ2 치아린코/중성노이트로닌 질량 척도(M₂)를 증가시킬 경우 H 및 A의 τ⁺τ⁻ 분해비율과 그로 인한 발견 가능성이 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 기존의 Vh 검색 한계는 낮은 tanβ에서 A → hZ 붕괴 모드를 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ4 3000 fb⁻¹에서 LHC는 A → hZ 채널에 대해 어떤 감도를 보이며, 이는 tanβ와 M₂에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 3000 fb⁻¹의 데이터 이후 M_A–tanβ 평면에서 MSSM 매개변수 공간의 어느 영역이 여전히 타당한가? 그리고 잔류된 '웨지'는 어떻게 닫을 수 있는가?

주요 결과

• 3000 fb⁻¹일 경우, m_h^max 시나리오에서 M_SUSY = 1 TeV일 때 ATLAS는 H/A → τ⁺τ⁻ 채널에서 M_A < 360–390 GeV를 배제할 수 있고, CMS는 M_A < 410–460 GeV를 배제할 수 있다.
• M₂ = 2 TeV일 경우, 초대칭 붕괴 모드의 억제로 H 및 A의 τ⁺τ⁻ 분해비율이 증가하여 τ⁺τ⁻ 채널의 감도가 향상된다.
• 낮은 tanβ(≤ 3–4)에서는 A → hZ 붕괴 모드가 접근 가능해지며, 3000 fb⁻¹일 경우 M₂ = 2 TeV일 때 tanβ ≈ 5까지 이 채널을 탐색할 수 있다.
• 현재 4.7–19 fb⁻¹에서 수행된 Vh 검색 한계(ATLAS 및 CMS)는 총 A → hZ 비율에 대한 제약로 해석될 수 있으며, 이는 낮은 tanβ에서 이 채널에 대한 감도를 가능하게 한다.
• m_h^mod± 벤치마크는 측정된 힉스 보손 질량(125.5 GeV)을 3 GeV 이내로 재현하며, M_h = 125.5 GeV와 일치하는 매개변수 영역은 대부분 m_h^max 영역을 차지한다.
• M_A > 350 GeV일 경우 t̄t 붕괴 모드가 지배적이며 τ⁺τ⁻ 채널의 탐지 가능성이 감소하지만, 3000 fb⁻¹일 경우 예측된 배제 한계는 여전히 크게 향상된다.