[논문 리뷰] Closing the Window on Light Charged Higgs Bosons in the NMSSM

Johan Rathsman, Thomas Rößler|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 뉴트럴 미니멀 슈퍼시매트릭 스탠다드 모델(NMSSM)에서 경량의 전하를 가진 힉스 보손($h^\pm$)의 발견 가능성을 조사한다. 이 경우 $m_{h^\pm} < m_t$일 때 주로 $a_1$ 보손과 $W$ 보손으로 붕괴된다. LHC에서 20 fb$^{-1}$의 루미너시로 $t\bar{t}$ 생성을 수행할 경우, $t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$의 분해율이 약 1%를 초과하면 이러한 시나리오는 발견 가능하다. 이때 $a_1$는 단일 $b\bar{b}$ 제트로 붕괴하고 $W$는 렙톤으로 붕괴된다.

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal SuperSymmetric Model (NMSSM) the lightest CP-odd Higgs bosons (a1) can be very light. As a consequence, in addition to the standard charged Higgs boson (h+) decays considered in the MSSM for a light charged Higgs (m_h+ &lt; m_t), the branching fraction for h+ to a1 W can be dominant. We investigate how this signal can be searched for in t tbar production at the Large Hadron Collider (LHC) in the case that m_a1 \gtrsim 2m_B with the a1 giving rise to a single b bbar-jet and discuss to what extent the LHC experiments are able to discover such a scenario with an integrated luminosity \sim 20 fb-1. We also discuss the implications of the possible Higgs-signal observed at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 경량 전하 힉스 보손이 주로 $h^\pm \to a_1 W$로 붕괴될 경우 NMSSM에서의 검출 가능성 평가
• 20 fb⁻¹의 통합 루미너시를 사용한 $t\bar{t}$ 생성을 통한 LHC의 감도 평가
• 관측된 약 125 GeV 수준의 힉스 유사 신호와의 일관성 여부 확인
• $B$ 붕괴 및 직접 검색 결과에서 유도된 실험적 제약이 경량 $a_1$의 허용 가능한 매개변수 공간에 미치는 영향 분석

제안 방법

• $t\bar{t}$ 생성을 LHC에서 시뮬레이션하고, 붕괴 체인 $t \to b h^+ \to b a_1 W$에 초점을 맞추며, $a_1 \to b\bar{b}$ 및 $W \to \ell\!\!\!\!\!\!\!\!- \(\nu_\ell$를 고려한다.
• 결측 횡방향 운동량을 통해 $W$ 보손의 4모멘텀을 재구성하고, 이를 $a_1$-제트와 조합하여 $m_{h^\pm}$에서 질량 피크를 형성한다.
• 표준 제트 탐지 알고리즘과 $b$-태깅을 적용하여 토프 및 $a_1$ 붕괴에서 유래한 $b$-제트를 식별한다.
• 배경 분석을 수행하며, 임의의 $t\bar{t}b\bar{b}$ 과정이 주요 불가피한 배경이며, 일반 제트가 $b$-제트로 잘못 태깅될 가능성이 주요 과제임을 강조한다.
• $B_{u} \to \tau\nu_\tau$ 및 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 붕괴에서 유도된 제약 조건을 적용하며, 이는 모델에 따라 달라지지만 중요하다.
• LHC에서 관측된 125 GeV 힉스 신호, 특히 $h_{\text{SM}} \to \gamma\gamma$ 비율과의 일관성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $h^\pm \to a_1 W$로 붕괴되는 경량 전하 힉스 보손을 발견할 수 있는가?
• RQ2 20 fb⁻¹에서 $t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$ 붕괴 체인이 검출 가능하려면 최소한의 분해율은 얼마여야 하는가?
• RQ3 $B$-물리 붕괴에서 유도된 간접 제약 조건이 경량 $a_1$의 허용 가능한 매개변수 공간에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 $\gamma\gamma$ 생성 비율 측면에서 $h^\pm \to a_1 W$ 붕괴 모드는 관측된 125 GeV 힉스 신호와 일치하는가?
• RQ5 표준 QCD 배경이 존재하는 상황에서 $a_1$ 공명은 단일 $b\bar{b}$ 제트로 재구성될 수 있는가?

주요 결과

• 20 fb⁻¹의 통합 루미너시를 가진 LHC는 $t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$ 붕괴 체인의 복합 분해율이 약 1%를 초과할 경우, NMSSM 내 경량 전하 힉스 보손을 발견할 수 있다.
• $a_1$ 보손이 $b\bar{b}$ 임계값을 초과할 경우, 단일 $b\bar{b}$ 제트로 재구성 가능하여, 결측 횡방향 운동량으로부터 유도된 $W$ 보손의 운동량을 통해 질량 재구성이 가능하다.
• 주요 불가피한 배경은 $t\bar{t}b\bar{b}$ 생성이지만, 제트가 $b$-제트로 잘못 태깅되는 것이 중대한 과제를 야기한다.
• $B_{u} \to \tau\nu_\tau$ 및 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 제약 조건을 포함한 후에도 $\tan\beta \in [1,10]$ 범위에서 $h^\pm \to a_1 W$가 주요 붕괴 모드가 될 수 있는 타당한 매개변수 공간이 남아 있다.
• 경량이면서 강하게 결합된 $a_1$가 관측된 125 GeV 힉스 신호의 $\gamma\gamma$ 붕괴 비율과 일치시키는 것은 어렵다. 이는 $R_{gg\gamma\gamma}^{h_i}$가 크게 증가하지 않도록 쿠퍼링 상수를 정밀하게 조정해야 하기 때문이다.
• 이 연구는 125 GeV 신호가 확인되든 말든, LHC는 이러한 경량 전하 힉스 보손을 발견하거나 그 존재에 대해 매우 엄격한 제약 조건을 부과할 것이다.