[논문 리뷰] Establishing a No-Lose Theorem for NMSSM Higgs Boson Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, John F. Gunion외 1명|ArXiv.org|2001. 11. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 NMSSM 힉스 보손의 '이득 없는' 정리(No-lose theorem)를 수립한다. 300 fb⁻¹ 루미노시티와 WW-융합 탐지 모드를 포함할 경우, 모든 스캔된 매개변수 공간 점에서 최소한 하나의 힉스 보손이 ≥5σ의 정의성으로 관측됨을 입증한다. 이는 다른 힉스 보손이나 초대칭 입자로의 붕괴가 운동역학적으로 금지된 경우에 한한다. 이 결과는 비융합 채널만으로는 중간 정도의 정의성을 보일 수 있지만, WW-융합 모드가 모든 경우에서 발견 가능성을 보장하므로 성립한다.

ABSTRACT

We scan the parameter space of the NMSSM for the observability of at least one Higgs boson at the LHC with $300\fbi$ integrated luminosity, taking the present LEP2 constraints into account. We restrict the scan to those regions of parameter space for which Higgs boson decays to other Higgs bosons and/or supersymmetric particles are kinematically forbidden. We find that if $WW$-fusion detection modes for a light Higgs boson are not taken into account, then there are still significant regions in the scanned portion of the NMSSM parameter space where no Higgs boson can be observed at the $5σ$ level, despite the recent improvements in ATLAS and CMS procedures and techniques and even if we combine all non-fusion discovery channels. However, if the $WW$-fusion detection modes are included using the current theoretical study estimates, then we find that for all scanned points at least one of the NMSSM Higgs bosons will be detected. If the estimated $300\fbi$ significances for ATLAS and CMS are combined, one can also achieve $5σ$ signals after combining just the non-$WW$-fusion channels signals. We present the parameters of several particularly difficult points, and discuss the complementary roles played by different modes. We conclude that the LHC will discover at least one NMSSM Higgs boson unless there are large branching ratios for decays to SUSY particles and/or to other Higgs bosons.

연구 동기 및 목표

• 실제 실험 조건 하에서 LHC에서 NMSSM 힉스 보손의 감지 가능성 평가.
• ATLAS 및 CMS의 감도 향상에도 불구하고 감지 실패가 발생할 수 있는 매개변수 공간 영역 규명.
• 전체 NMSSM 매개변수 공간에서 발견 가능성을 보장하기 위해 WW-융합 탐지 모드의 역할 평가.
• MSSM와 유사하게 NMSSM에서도 '이득 없는' 시나리오가 수립 가능한지 판단.
• 다양한 힉스 탐지 채널 간 상호보완성이 개별 모드의 억제를 극복하는 데 어떻게 기여하는지 검토.

제안 방법

• 운동역학적으로 다른 힉스 보손이나 초대칭 입자로의 붕괴가 가능한 점들을 제외한 NMSSM 매개변수 공간의 광범위한 스캔 수행.
• 주요 힉스 발견 채널(그리고, VBF, 연관 생성(tt̄h, Vh), H→bb̄, ττ, WW*)에 대해 통계적 정의성(S/√B) 계산.
• 현재 LHC 감도 예측을 기반으로 이론적 추정치를 WW-융합 탐지 모드에 통합하여 정의성 계산에 포함.
• 각 힉스 상태에 대해 단순 가우시안 조합 방법을 사용해 총 정의성 계산.
• 분석은 당시 예상되는 LHC 성능과 일치하는 300 fb⁻¹ 루미노시티를 기준으로 수행.
• 비융합 모드에서 정의성이 낮은 주요 기준점들을 식별하고, '이득 없는' 결론의 탄탄함을 검증하기 위해 심층 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 fb⁻¹에서 WW-융합 모드를 제외한 비융합 채널만으로는, NMSSM 매개변수 공간의 어떤 영역에서도 5σ 이상의 정의성이 확보되지 않는가?
• RQ2 비융합 모드가 실패할 경우, WW-융합 탐지 모드가 모든 NMSSM 힉스 보손에 대해 5σ 발견을 보장할 수 있는가?
• RQ3 모든 탐지 모드의 조합에서 확보 가능한 최소 총 정의성은 얼마이며, 이는 모든 경우에서 5σ를 초과하는가?
• RQ4 힉스 보손의 분해비율과 결합 상수는 각기 다른 채널에서의 감지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MSSM에서와 동일한 가정 하에 NMSSM 힉스 발견에 대한 '이득 없는' 정리를 수립할 수 있는가?

주요 결과

• WW-융합 모드를 제외할 경우, 어떤 매개변수 공간 영역에서도 단일 탐지 채널에서 ≥5σ 정의성이 확보되지 않는 경우가 존재한다.
• 비WW-융합 모드를 모두 조합해도, 가장 도전적인 경우에서 총 정의성이 4.8σ에 그치며, 5σ에 못 미친다.
• 그러나 WW-융합 모드를 포함하면, 모든 스캔된 점에서 최소한 하나의 채널에서 10.1σ 이상의 정의성이 확보된다.
• WW-융합 모드를 포함한 모든 모드의 총 정의성이 모든 점에서 10.7σ를 초과하여, 5σ 수준의 발견이 보장된다.
• 가장 도전적인 기준점(점 5)은 모든 모드를 조합했을 때 18.07σ의 정의성을 확보하며, 이 중 WW-융합 모드가 16.78σ 기여한다.
• 이 연구는 NMSSM 힉스 보손의 발견이, 다른 힉스 보손이나 초대칭 입자로의 분해비율이 현저히 높지 않은 한 LHC에서 보장된다는 것을 확인한다.