[논문 리뷰] Investigation of the Discovery Potential for Higgs Bosons of the Minimal Supersymmetric Extension of the Standard Model (MSSM) with ATLAS

M. Schumacher|ArXiv.org|2004. 10. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 실험에서 최소 초대칭 표준모형(MSSM)의 힉스 보손에 대한 발견 가능성을 평가하며, 네 가지 CP를 보존하는 및 한 가지 CP 위반 기준 시나리오를 분석한다. FeynHiggs와 ATLAS의 빠른 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 300 fb⁻¹의 루미노사티가 있을 경우 MSSM 전체 매개변수 공간에서의 발견이 가능하다는 것을 발견했지만, CP 위반 시나리오에서는 낮은 $M_{H^\pm}$과 작은 $\tan\beta$ 영역이 아직 탐지되지 않은 채로 남아 있다.

ABSTRACT

The discovery potential of the ATLAS experiment at the LHC for Higgs bosons of the MSSM is discussed. Several CP conserving and one CP violating benchmark scenario are investigated.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기준 시나리오에서 MSSM의 다섯 가지 물리적 힉스 보손에 대한 ATLAS 실험의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 특히 VBF, GGF 및 연관 생성 채널의 감도를 평가하여 MSSM 힉스 보손과 표준모형(SM) 힉스 보손을 구별할 수 있는지 평가하기 위해.
• 생산 단면적의 억제 또는 운동적 조건의 제약으로 인해 탐지되지 않는 MSSM 매개변수 공간의 영역을 규명하기 위해.
• 예를 들어 $R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$와 같은 분해비율 비율 측정을 통해 표준모형 힉스와 MSSM 힉스를 식별할 수 있는 가능성 조사하기 위해.
• 특히 CP 위반인 CPX 시나리오에서 발견 가능성이 미흡한 영역을 부각시키기 위해, 현재 ATLAS 탐지 전략으로는 낮은 질량의 힉스 상태를 탐지하지 못할 수 있음을 강조하기 위해.

제안 방법

• 다섯 가지 기준 시나리오(네 가지 CP 보존: m_h-max, nomixing, gluophobic, small α 및 한 가지 CP 위반: CPX)에 대해 FeynHiggs v2.1을 사용하여 힉스 질량, 결합 상수 및 분해비율을 계산하였다.
• GGF, VBF, 탑 쿼크와의 연관 생성($tt\cal{H}$), 움부스와의 연관 생성($W\cal{H}$), 바텀 쿼크와의 연관 생성($bb\cal{H}$)에 대한 최초 차수 단면적을 계산하였으며, MSSM 전용 보정 요소를 적용하였다.
• PYTHIA와 전용 행렬원소 계산을 사용하여 $gb \to tH^\pm$ 및 $tt \to bbWH^\pm$ 경로를 통한 양성자 힉스 생성 단면적을 계산하였다.
• 주요 붕괴 채널에 대해 ATLAS의 빠른 몬테카를로 연구를 통합하여 신호 효율, 배경 비율 및 검출기 성능(예: b-태깅, $\tau$-태깅, 렙톤 고립성)을 평가하였다.
• 300 fb⁻¹의 루미노사티로 설정된 조건 하에서 통계적 유의성과 신호 대 배경 비율을 사용하여 발견 가능성을 평가하였다.
• 통계적 불확실성만을 고려하여 $R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$ 비율을 통해 SM과 MSSM 간의 식별 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 fb⁻¹에서 다양한 CP 보존 기준 시나리오에서 가장 가벼운 CP-짝성 힉스 보손($h$)의 발견 가능성은 어떠한가?
• RQ2 CPX 시나리오에서 CP 위반이 중성자 및 이온 힉스 보손의 발견 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 낮은 생산 단면적 또는 운동적 억제로 인해 ATLAS 탐지에서 미처 다루지 못하는 MSSM 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ4 VBF 생성에서 분해비율 비율 $R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$는 MSSM 힉스와 표준모형 힉스를 식별하는 데 유용한가?
• RQ5 특히 낮은 $M_{H^\pm}$과 작은 $\tan\beta$ 조건에서, 현재 ATLAS 탐지 전략이 가벼운 힉스 상태를 탐지하는 데 어떤 한계를 지닌다?

주요 결과

• 300 fb⁻¹의 통합 루미노사티로, ATLAS 실험은 네 가지 CP 보존 기준 시나리오에서 MSSM 전체 매개변수 공간에서 적어도 하나의 힉스 보손을 발견할 수 있다.
• 가장 가벼운 힉스 보손($h$)은 $\gamma\gamma$, $\tau\tau$, $WW$, $bb$ 등 여러 채널에서 발견 가능하며, 이는 분해비율 측정을 통해 SM과 MSSM을 구별할 수 있는 잠재적 기회를 제공한다.
• CPX 시나리오에서는 $M_{H^\pm} < 100$ GeV 이하이면서 $\tan\beta$가 작은 영역이 아직 탐지되지 않은 채 남아 있으며, 이 영역에서 가장 가벼운 힉스($H_1$)는 70 GeV 이하의 질량을 가지며, $H_2$, $H_3$는 105–180 GeV 범위에 있다.
• 특히 $m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}$ 시나리오에서는 큰 반사 보정으로 인해 가장 가벼운 힉스 질량이 최대 133 GeV까지 도달할 수 있어 발견 가능성이 향상된다.
• 비율 $R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$는 SM과 MSSM을 식별하는 데 잠재력이 있으며, $\Delta > 1$ (또는 $\Delta > 2$)일 경우 $m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}$ 시나리오에서 뚜렷한 감도를 보인다.
• 질량이 170 GeV 이하인 경우 $t \to bH^\pm$를 통한 탑 쿼크 붕괴 경로로, 질량이 180 GeV 이상인 경우 $gb \to tH^\pm$ 경로로 양성자 힉스를 발견할 수 있으나, 170–180 GeV 범위에는 간격이 존재한다.