[논문 리뷰] Implications of the ATLAS and CMS searches in the channel $pp o Higgs o τ^+τ^$ for the MSSM and SM Higgs bosons

Julien Baglio, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV에서 36 pb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 MSSM 및 표준모형 힉스 보손에 대한 ATLAS와 CMS의 제약 조건을 재평가한다. $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 채널에서 제외 한계가 거의 모델에 종속되지 않으며, 이론적 불확실성을 고려할 경우 약간 더 느슨해지며, 포함형 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널이 115–130 GeV 범위의 표준모형 힉스 보손에 대해 매우 유망하고 활용도가 낮은 발견 채널임을 보여준다. 향상된 분석 기법을 통해 $H \to \gamma\gamma$ 채널만큼 민감할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss the implications of the recent constraints on the Higgs sector of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model obtained by the ATLAS and CMS collaborations at the lHC with $\sqrt s=7$ TeV and 36 pb$^{-1}$ of data. The main production and detection channel that is relevant in these analyses is the gluon--gluon and bottom quark fusion mechanisms leading to neutral Higgs bosons which subsequently decay into tau lepton pairs, $gg, b\bar b o Higgs o τ^+τ^-$. In this note, we show that: i) the exclusion limits are in fact more general than indicated by the ATLAS and CMS analyses and are essentially independent of the scenario for the supersymmetric particle spectrum; ii) when the exclusion limits are applied to the lowest theory prediction for the Higgs production cross section times branching ratio, when all theoretical uncertainties are taken into account, the bounds are somewhat less stringent; iii) the exclusion limits from the $pp o Higgs o τ^+ τ^-$ process are so strong that only a modest improvement would be possible when other MSSM Higgs detection channels are considered, even with femtobarn level accumulated data. Finally and most important, we point out that the prospects for the search for the Standard Model Higgs boson in the inclusive $gg o H o τ^+τ^-$ channel, that is not currently considered by the ATLAS and CMS collaborations, turn out to be very promising and with a few inverse femtobarn data it might provide a convincing discovery signal in the difficult 115--135 GeV mass range for the standard Higgs boson.

연구 동기 및 목표

• MSSM 힉스 보손에 대한 ATLAS와 CMS의 제외 한계가 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 채널에서 얼마나 견고하고 일반적인지 재평가하기 위해.
• MSSM에서 예측된 힉스 생성 단면적과 분해비의 이론적 불확실성이 영향을 미치는 방식을 평가하기 위해.
• $\tau^+\tau^-$ 채널에서의 강력한 제약 조건 이후 다른 MSSM 힉스 탐색 채널이 여전히 유효한지 평가하기 위해.
• 포함형 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널이 115–130 GeV 질량 범위의 표준모형 힉스 보손에 대해 매우 경쟁력 있고 활용도가 낮은 발견 채널일 수 있음을 주장하기 위해.

제안 방법

• MSSM 힉스 보손의 $[M_A, \tan\beta]$ 매개변수 공간에서 ATLAS와 CMS의 제외 한계를 분석하며, $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 채널에 집중한다.
• 초대칭 입자 스펙트럼의 영향을 분석함으로써 한계의 모델 독립성을 평가하며, 특히 힉스–$b\bar{b}$ 요하이드 상호작용에 대한 라디에이티브 보정의 역할을 고려한다.
• 완전한 이론적 불확실성을 고려하여 $pp \to \Phi \to \tau^+\tau^-$ 반응률의 최소 이론적 예측을 사용해 제외 한계를 재계산한다.
• 고도화된 재구성 기법, 제트 다중도 분할, 벡터 보손 융합 및 $W/Z$ 보손과의 연계 생성과 같은 추가 생성 모드를 포함함으로써 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널의 감도 향상을 평가한다.
• $H \to \tau^+\tau^-$ 채널과 $H \to \gamma\gamma$ 채널의 감도를 비교하여, $H \to \tau^+\tau^-$ 채널이 감도에서 약 두 배 정도 낮을 뿐만 아니라 크게 향상될 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS와 CMS의 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 채널에서의 제외 한계는 다양한 MSSM 스펙트럼에서 실제로 모델에 종속되지 않는가?
• RQ2 이론적 불확실성이 MSSM에서 힉스 생성 단면적과 분해비에 영향을 미치며, 이로 인해 $[M_A, \tan\beta]$ 평면에서 유도된 제외 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 포함형 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널이 115–130 GeV 범위의 표준모형 힉스 보손에 대해 경쟁력 있는 발견 채널이 될 수 있는가?
• RQ4 실험적 및 이론적 개선을 통해 $H \to \tau^+\tau^-$ 채널의 감도 향상 가능성은 어느 정도인가?
• RQ5 강력한 제약 조건이 $\tau^+\tau^-$ 채널에서 유도된 후, 다른 MSSM 힉스 탐색 채널은 어느 정도 여전히 관련성이 있는가?

주요 결과

• ATLAS와 CMS의 $[M_A, \tan\beta]$ 평면에서의 제외 한계는 힉스–$b\bar{b}$ 요하이드 상호작용에 대한 라디에이티브 보정이 생성 단면적과 분해비의 곱에서 상쇄되기 때문에 거의 모델에 종속되지 않는다.
• 이론적 불확실성을 적절히 고려할 경우, $\tan\beta$의 제외 범위는 약간 줄어들며, $100 \leq M_A \leq 200$ GeV 범위에서는 오직 $\tan\beta \gtrsim 30$–50만 제외된다.
• 1–3 fb$^{-1}$의 데이터로 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 제약 조건은 매우 강력해져, 다른 MSSM 힉스 채널은 발견 잠재력에 대해 거의 기여하지 못할 것이다.
• 포함형 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널은 115–130 GeV 범위의 표준모형 힉스 보손에 대해 매우 유망한 발견 채널이며, 감도는 $H \to \gamma\gamma$ 채널보다 약 두 배 낮을 뿐이다.
• $H \to \tau^+\tau^-$ 채널의 감도는 향상된 질량 재구성 기법, 제트 다중도 분석, 벡터 보손 융합 및 연계 생성 기여를 포함함으로써 크게 향상될 수 있으며, 포함 단면적은 약 15–20% 증가한다.
• 저자들은 ATLAS와 CMS 협동체가 115–130 GeV 질량 창에서 표준모형 힉스 보손의 핵심 발견 채널로 $pp \to H \to \tau^+\tau^-$ 채널을 우선시할 것을 촉구한다.