[논문 리뷰] Higgs Production in Association with Top Squark Pairs in the MSSM at the LHC: the Decay Patterns

H. F. Heath, C. Lynch외 2명|ArXiv.org|2009. 01. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 MSSM 내에서 힉스 보손이 토프 스夸크 쌍과 연관하여 생성되는 경우를 연구하며, 발견 가능성을 평가하기 위해 붕괴 패턴을 중점적으로 분석한다. 연구 결과, 스쿼크가 채르모 쿼크로 붕괴하고 힉스 보손이 바텀 쿼크로 붕괴하는 채널이 최대 100 pb까지의 가장 높은 횡단단면을 보이며, QCD 배경에도 불구하고 힉스 검출에 유망한 서명으로 나타났다.

ABSTRACT

The production of the lightest Higgs boson, $h^0$, in association with the lightest stop, $ ilde{t}_{1}$, in the Minimal Supersymmetric Standard Model, is an interesting channel, as its cross section can be higher than Higgs production in association with top quarks. Furthermore, the $ ilde{t}_{1} ilde{t}^{*}_{1}h^{0}$ production rate is highly dependent on various Supersymmetric parameters. The mass, mixings, couplings and production cross sections relevant to the $ ilde{t}_{1} ilde{t}^{*}_{1}h^{0}$ channel have been studied in the past. Here, we complement these analyses by performing a thorough decay study. We conclude that there is some scope for extracting this channel at the Large Hadron Collider, for suitable combinations of the Supersymmetric parameters, in several different decay channels of both the stop quarks and Higgs boson, the most numerically promising being the signature involving charm decays of the stops and bottom decay of the Higgs. This, in fact, remains true in the Supergravity inspired Minimal Supersymmetric Standard Model.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 MSSM 내에서 토프 스쿼크 쌍과 연관된 힉스 보손 생성의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 다양한 MSSM 매개변수 영역에서 \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0 최종 상태의 붕괴 패턴을 연구하기 위해.
• 횡단단면과 배경 제거 능력의 관점에서 실험적 관측에 가장 유리한 붕괴 채널을 규명하기 위해.
• LEP2와 테바트론에서의 실험적 제약 조건이 스퍼파트클 질량에 미치는 영향을 고려하여 신호의 타당성 평가하기 위해.
• 일반 MSSM과 MSUGRA에 기반한 시나리오 간의 신호 가시도를 비교하기 위해.

제안 방법

• adScan 프로그램을 사용하여 정지 질량, A-항목, tanβ, μ, mA 등을 변화시켜 MSSM 매개변수 공간에서 다차원 스캔을 수행하였다.
• \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0의 생성 횡단단면을 파인만 도형 계산과 MSSM 스펙트럼 생성기를 사용하여 계산하였다.
• 질량 간격과 혼합 각도에 기반하여 스쿼크 붕괴의 분해비율(\tilde{t}_1 → cχ₁⁰, bχ₁⁺, tχ₁⁰)을 분석하였다.
• 낮은 질량(<135 GeV)에서 주로 h⁰ → b\bar{b} 모드가 지배적이므로, 힉스 붕괴 분해비율을 중심적으로 평가하였다.
• LEP2와 테바트론의 실험적 질량 제약 조건을 적용하여 물리적으로 불가능한 매개변수 포인트를 걸러내었다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 LHC 트리거 및 배경 조건 하에서 최종 상태 서명의 가시성과 검출 가능성을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM 내에서 \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0 최종 상태의 주요 붕괴 채널은 무엇이며, 이는 신호 가시성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0의 생성 횡단단면은 MSSM 매개변수 공간 전반에서 어떻게 변할까. 특히 스쿼크 질량과 혼합 정도와의 관계에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 SUSY 상쇄 효과로 인해 SM 유사 이중 광자 채널이 억제될 경우, \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0 채널이 힉스 발견을 위한 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ4 LEP2와 테바트론에서의 실험적 제약 조건(예: 스퍼파트클 질량)이 이 채널의 관측 가능한 횡단단면에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 일반 MSSM과 MSUGRA에 기반한 시나리오 간에 최종 상태 위상도와 검출 가능성 측면에서 신호 구조는 어떻게 다를까?

주요 결과

• \tilde{t}_1\tilde{t}_1^*h^0 횡단단면은 스쿼크가 채르모 쿼크로 붕괴하고 힉스 보손이 바텀 쿼크로 붕괴할 경우 최대 100 pb까지 도달하며, 이는 가장 유망한 채널이다.
• 스쿼크가 바텀 쿼크로 붕괴하는 경우(\tilde{t}_1 → bχ₁⁺) 횡단단면은 약 10 pb에서 피크를 이룬다. 반면, 탑 쿼크로 붕괴하는 경우(\tilde{t}_1 → tχ₁⁰)는 최대 100 fb에 이른다.
• LEP2와 테바트론의 실험적 질량 제약 조건을 적용한 후, \tilde{t}_1 → cχ₁⁰ 채널의 횡단단면은 몇 pb 수준에서 검출 가능하며, bχ₁⁺ 채널은 몇 pb 수준에 이른다.
• 두 개의 채르모 쿼크, 두 개의 바텀 쿼크, 그리고 두 개의 중성이노에서 비롯된 미량 에너지를 포함하는 최종 상태는 횡단단면이 높고 특징적인 위상도를 지니므로 검출에 가장 유리하다.
• MSUGRA 시나리오에서도 신호는 타당하지만, 일반 MSSM은 더 큰 스퍼파트클 질량 및 혼합 자유도 덕분에 특정 매개변수 영역에서 더 높은 횡단단면을 허용한다.
• 최종 상태의 다양성(예: 네 개의 b-제트에서부터 카이니오 붕괴로 인한 제트와 렙톤까지)은 각 붕괴 채널에 맞는 맞춤형 트리거 및 배경 제거 전략이 필요하다.