[논문 리뷰] Distributions for Higgs + jet at hadron colliders: MSSM vs SM

Oliver Brein, W. Hollik|ArXiv.org|2007. 10. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 테바트론에서 MSSM와 SM에서의 힉스 보손과 제트 생성을 비교 연구하며, 의사속도 및 횡방향 운동량에 대한 미분 단면적을 집중적으로 다룬다. 다음으로 주로 일어나는 QCD 및 효과적 장 이론 기법을 사용하여, 낮은 $ m_A $와 큰 $ \tan\beta $ 조건에서 MSSM은 SM보다 최대 22배 더 큰 단면적을 예측하며, 이는 횡방향 운동량 스펙트럼이 훨씬 더 부드럽고, 주로 $ b $-쿼크가 유도하는 고차원 수준의 과정으로 인해 중심 영역의 제트 생성이 강화됨을 보여준다.

ABSTRACT

We present pseudorapidity and transverse momentum distributions for the cross section for the production of the lightest neutral Higgs boson in association with a high-p_T hadronic jet, calculated in the framework of the minimal supersymmetric standard model. We discuss the theoretical predictions for the differential cross sections at the Large Hadron Collider and the Tevatron. In particular, we present the differences in the distributions compared to the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 강입자 충돌기에서 MSSM과 SM의 힉스+제트 생성에 대한 미분 단면적을 비교하기 위해.
• 초대칭 루프 효과와 트리 수준의 $ b $-쿼크가 유도하는 과정이 힉스+제트 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• MSSM과 SM 예측 간의 $ p_T $ 및 의사속도($ \eta $) 분포의 차이를 정량화하기 위해.
• 실제 실험적 절단 조건 하에서 LHC와 테바트론에서 MSSM 힉스 보손이 힉스+제트 채널을 통해 탐지 가능한지 평가하기 위해.
• 낮은 $ m_A $와 큰 $ \tan\beta $ 조건에서 MSSM과 SM을 구별할 수 있는 운동학적 서명을 특정하기 위해.

제안 방법

• LHC에서의 $ pp \to h^0 + \text{jet} + X $ 및 테바트론에서의 $ p\bar{p} \to h^0 + \text{jet} + X $ 반응에 대해 다음으로 주로 일어나는 QCD 보정을 사용하여 $ d^2\sigma/d\eta_{\text{jet}}dp_T $의 미분 단면적을 계산하였다.
• MSSM에서 루프 유도된 글루온 융합 및 쿼크-글루온 산란 과정을 모델링하기 위해 효과적 장 이론 기법을 적용하였다.
• 가상의 초대칭 파art너(예: 글루아노)의 기여를 루프 다이어그램에 포함시켜, SM과 비교해 $ ggH $ 및 $ qgH $ 결합 상수를 수정하였다.
• 모든 $ m_A $ 범위를 탐색하기 위해 $ m_A = 400\,\text{GeV} $ 및 $ m_A = 110\,\text{GeV} $, $ \tan\beta = 30 $ 조건에서 $ m_h^{\text{max}}(400) $ 시나리오를 사용하였다.
• 표준 절단 조건을 적용: $ p_T > 30\,\text{GeV} $, $ |\eta| < 4.5 $, 이를 통해 실제 검출기 수용 범위를 시뮬레이션하였다.
• 각 시나리오에서 MSSM의 $ h^0 $ 질량을 SM 힉스 질량에 맞추어 직접 MSSM 예측을 SM 단면적과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 MSSM과 SM 간의 힉스+제트 최종 상태에 대한 $ p_T $ 및 의사속도 분포는 어떻게 다를까?
• RQ2 가상의 초대칭 파art너가 MSSM에서의 힉스+제트 생성에 대한 미분 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 MSSM에서의 $ b $-쿼크 요크화 상수 증가가 낮은 $ m_A $ 조건에서 트리 수준의 $ b $-쿼크가 유도하는 과정의 지배적 영향을 어떻게 강화하는가?
• RQ4 MSSM 힉스+제트 단면적이 SM 비율을 얼마나 초월할 수 있으며, 어떤 매개변수 조건에서 이 증가가 가장 두드러지는가?
• RQ5 낮은 $ m_A $와 큰 $ \tan\beta $ 조건에서 테바트론의 힉스+제트 채널이 MSSM 힉스 보손의 탐지 가능성을 갖는가?

주요 결과

• 질량이 $ m_A = 400\,\text{GeV} $인 $ m_h^{\text{max}}(400) $ 시나리오에서 MSSM 단면적은 1.096 pb이며, SM은 1.448 pb로, 비율 $ R = \sigma_c / \sigma_f $ 에서 상대적 차이는 4.2%이다.
• 낮은 $ m_A $ 조건($ m_A = 110\,\text{GeV} $, $ \tan\beta = 30 $)에서 MSSM 단면적은 175 pb에 도달하며, 이는 SM의 약 8 pb보다 22배 큰 것이다.
• 낮은 $ m_A $ 조건에서 MSSM의 $ p_T $ 스펙트럼은 SM보다 훨씬 더 부드럽고, $ p_T = 100\,\text{GeV} $에서 10배의 증가가 관찰되며, $ 850\,\text{GeV} $ 이상에서야 비로소 단면적 비율이 유사해진다.
• 낮은 $ m_A $ 조건에서 MSSM에서는 중심 영역($ |\eta| < 2 $)에서의 제트 비율이 93%로 SM의 85%보다 높아, 중심 제트 강화 효과가 더 두드러진다.
• MSSM과 SM 간의 미분 단면적 $ d^2\sigma/d\eta_{\text{jet}}dp_T $ 의 상대적 차이는 최대 10%에 이르며, 일부 단면적 영역에서는 절대 차이가 10 fb/GeV를 초과한다.
• 테바트론는 낮은 $ m_A $ 조건에서 MSSM 힉스+제트 신호를 관측할 수 있으며, 이는 SM 대비 최대 30배의 단면적 증가로 인해 유망한 탐지 채널이 된다.