[논문 리뷰] Fully covering the MSSM Higgs sector at the LHC

A. Djouadi, Luciano Maiani외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 MSSM 힉스 보행자 섹터의 전체 매개변수 공간—특히 도전적인 저-$\tan\beta$ 및 고-$M_A$ 영역—이 LHC에서 글루온 융합 생성과 함께 톰 쿼크 쌍($t\bar{t}$)으로의 붕괴를 조합함으로써 완전히 탐색될 수 있음을 보여준다. $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널은 남아있는 탐색되지 않은 영역를 커버하는 데 핵심적이며, $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 300 fb$^{-1}$의 데이터로 $M_A \approx 600$ GeV까지, 고광도 조건에서 3000 fb$^{-1}$로 $M_A \approx$ 1 TeV까지의 전체 영역을 커버할 수 있다.

ABSTRACT

In the context of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM), we reanalyze the search for the heavier CP-even $H$ and CP-odd $A$ neutral Higgs bosons at the LHC in their production in the gluon-fusion mechanism and their decays into gauge and lighter $h$ bosons and into top quark pairs. We show that only when considering these processes, that one can fully cover the entire parameter space of the Higgs sector of the model. Indeed, they are sensitive to the low $ anβ$ and high Higgs mass ranges, complementing the traditional searches for high mass resonances decaying into $τ$-lepton pairs which are instead sensitive to the large and moderate $ anβ$ regions. The complementarity of the various channels in the probing of the complete $[ anβ, M_A]$ MSSM parameter space at the previous and upcoming phases of the LHC is illustrated in a recently proposed simple and model independent approach for the Higgs sector, the $h$MSSM, that we also refine in this paper.

연구 동기 및 목표

• MSSM 힉스 보행자 섹터의 전체 $[\tan\beta, M_A]$ 매개변수 공간을 완전히 커버할 수 있는 미흡하게 다뤄진 검색 채널을 식별하고 분석한다.
• 기존의 $\tau\tau$ 및 $b\bar{b}$ 붕괴 검색 방식이 효과가 떨어지는 저$\tan\beta$ 및 고$M_A$ 영역에서의 실험적 민감도 격차를 해소한다.
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널이 저$\tan\beta$ 영역, 특히 $t\bar{t}$ 임계값 이상에서 MSSM 힉스 보행자 섹터의 주요 탐색 수단으로서의 타당성을 입증한다.
• 모델 독립적이고 매개변수 공간 전반에 걸친 힉스 보행자 섹터 분석을 가능하게 하기 위해 $h$ MSSM 프레임워크를 정교화하며, 페르미온성 및 보존성 붕괴 모드를 모두 통합한다.

제안 방법

• 연구는 $\tan\beta$와 $M_A$를 입력 매개변수로 사용하고, $M_h \approx 125$ GeV를 고정 조건으로 하는 $h$ MSSM 프레임워크를 활용한다.
• 강한 톰-힉스 결합으로 인해 저$\tan\beta$ 영역에서도 여전히 유의미한 것으로 남는 톰 쿼크 루프를 통한 글루온 융합 생성 메커니즘 $gg \to H/A$를 분석한다.
• 고$M_A$ 및 저$\tan\beta$ 조건에서 $H/A \to t\bar{t}$ 붕괴의 지배적 성향을 평가하며, 다른 붕괴 모드를 억압하고 이 채널을 주요 탐색 수단으로 만든다.
• 기존 ATLAS 및 CMS 분석을 활용하여 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서의 톰 쌍 공명 신호의 통계적 의미도 평가하고, $\sqrt{s} = 14$ TeV로의 외삽을 수행한다.
• $pp \to H/A \to \tau\tau$, $WW$, $ZZ$, $hh$, $hZ$ 붕괴 모드와의 조합을 통해 전체 커버리지를 달성한다.
• 힉스 신호와 QCD $t\bar{t}$ 배경 간 간섭 효과를 고려하며, 불변 질량 분포에서 복잡한 피크-우물 패턴이 나타남을 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 $\tau\tau$ 및 $b\bar{b}$ 붕괴 검색 방식이 효과가 떨어지는 저$\tan\beta$ 및 고$M_A$ 영역을 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널이 효과적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ2 매우 큰 QCD 배경이 존재하는 상황에서도 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 과정가 MSSM의 무거운 힉스 보손을 발견하기 위한 타당하고 민감한 채널이 될 수 있는가?
• RQ3 고광도 LHC에서 $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $300$ fb$^{-1}$의 데이터로 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널의 예측 가능 영역($M_A$ 및 $\tan\beta$)은 어느 정도인가?
• RQ4 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널이 기존의 $\tau\tau$, $WW$, $ZZ$, $hh$, $hZ$ 모드 검색과 어떻게 조화를 이루어 $[\tan\beta, M_A]$ 평면 전체를 완전히 커버하는가?
• RQ5 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널에서 힉스 신호와 QCD $t\bar{t}$ 배경 간의 간섭이 불변 질량 분포에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널은 기존의 $\tau\tau$ 및 $b\bar{b}$ 붕괴 검색 방식으로는 접근이 불가능한 저$\tan\beta$ 및 고$M_A$ 영역을 탐색할 수 있다.
• $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 25 fb$^{-1}$의 데이터로 $pp \to H/A \to t\bar{t}$ 채널은 $\tan\beta \lesssim 4$ (2)까지 $M_A \approx 250$ (350) GeV까지 배제 가능하다.
• $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $300$ fb$^{-1}$ 조건에서 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널만으로도 모든 $\tan\beta$ 값에서 $M_A \approx 600$ GeV까지의 탐색 가능 범위를 확장할 수 있다.
• 고광도 조건에서 $3000$ fb$^{-1}$의 데이터로 전체 MSSM 매개변수 공간이 $M_A \approx$ 1 TeV까지 커버될 수 있으며, 주로 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널 덕분이다.
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 과정는 QCD $t\bar{t}$ 배경과 복잡한 간섭 패턴을 보이며, 불변 질량 분포에서 피크-우물 형태의 구조를 만들어내어 신호 식별에 도움이 될 수 있다.
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 채널을 기존의 페르미온성 및 보존성 붕괴 채널과 조합함으로써 MSSM 힉스 보행자 섹터의 $[\tan\beta, M_A]$ 평면 전체가 LHC에서 완전히 커버됨을 보장한다.