[논문 리뷰] Observability of MSSM Higgs bosons via sparticle decay modes in CMS

F. Moortgat, S. Abdullin외 1명|ArXiv.org|2001. 12. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 중성미온 쌍($\chi^0_2$)으로 붕괴한 후 $\chi^0_2 \to l^+l^-$\chi^0_1$로 이어지는 무거운 MSSM 힉스 보손($A^0$, $H^0$)의 관측 가능성에 대해 연구한다. 이로 인해 4개의 레프톤과 미분 운동량 에너지의 깔끔한 서명이 발생한다. CMS 검출기 시뮬레이션을 사용하여, 중성미온과 레프톤 라이트 쿼크가 충분히 가벼운 조건에서, 저-중간 $\tan\beta$ 범위에서 230–450 GeV 질량 범위 내의 무거운 힉스 보손을 발견할 수 있음을 보여준다. 배경은 운동량 및 기하학적 조건을 통해 효과적으로 억제된다.

ABSTRACT

We discuss the possibilities to observe the decays of heavy SUSY Higgs bosons into supersymmetric particles at the LHC. Such an observation would be of interest either in a discovery search if sparticle modes are the dominant ones, or in a study of additional decay modes, bringing information on the SUSY scenario potentially at work. We will focus on the most promising channel where the heavy neutral Higgses decay into a pair of next-to-lightest neutralinos, followed by their decay into two leptons and the LSP, thus leading to four isolated leptons + missing E_T as the main final state signature. A study with the CMS detector shows that the background (SM + SUSY) can be sufficiently suppressed and that in the mass region between m_A = 230 and 450 GeV, for low and intermediate values of tan beta, the signal would be visible provided neutralinos and sleptons are light enough.

연구 동기 및 목표

• 무거운 MSSM 힉스 보손($A^0$, $H^0$)이 표준모형 입자 대신 초대칭 입자로 붕괴할 경우의 발견 잠재력 평가
• 저-$\tan\beta$ 영역에서 $\tau\tau$ 붕괴가 억제되는 상황에서, $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 채널이 표준모형 붕괴 모드에 대한 타당한 대안이 되는지 평가
• 운동량 및 기하학적 선택 기준을 통해 주요 표준모형(SM) 및 초대칭(SUSY) 배경($ZZ$, 뉴트리노 쿼드럼 생성, 스파article 계단 붕괴 등)을 식별하고 억제
• 이 신호가 경쟁 붕괴 모드와 배경 기여로 인해 관측 가능성이 유지되는 매개변수 공간($m_A$, $\tan\beta$, $M_2$, $\mu$, $m_{\tilde{l}}$)을 규명

제안 방법

• 연구는 $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 붕괴 체인을 위한 신호 및 배경 사건을 모델링하기 위해 CMS 검출기 시뮬레이션 프레임워크를 사용한다.
• 신호 사건은 MSSM 프레임워크를 기반으로 생성되며, 주요 매개변수 $m_A$, $\tan\beta$, $\mu$, $M_1$, $M_2$, $m_{\tilde{l}}$, $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$를 변화시킨다.
• 배경 억제에는 다중 선택 기준이 사용된다: 네 개의 고립 레프톤 요구, $E_T^{miss} > 40$ GeV, $Z$ 보손 제거를 통한 $Z\to ll$ 붕괴 거부, $E_T < 50$ GeV인 2개 이하의 제트 활동 제한.
• $ZZ$ 배경은 주요 표준모형 배경이지만, 네 레프톤 및 $Z$-보기 요구 조건으로 효과적으로 억제된다.
• 스파article 유도 배경($\tilde{\nu}\tilde{\nu}$ 쌍 생성, 쿼크/글루ино 계단 붕괴 등)은 낮은 제트 다중도 및 $E_T^{miss}$ 컷을 통해 완화된다.
• 100 $fb^{-1}$ 통합 루미너시에서 발견 가능성 평가가 이루어지며, 누적 컷을 거친 후 이벤트 수 계산을 통한 신호 유의도 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저-$\tan\beta$ 영역에서 표준모형 붕괴 모드가 실패하는 상황에서, $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 붕괴 채널이 무거운 MSSM 힉스 보손에 대해 검출 가능한 신호를 제공할 수 있는가?
• RQ2 운동량 및 기하학적 컷이 이 채널에서 주요 표준모형($ZZ$) 및 초대칭($\tilde{\nu}\tilde{\nu}$, $\tilde{q}/\tilde{g}$ 계단) 배경을 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ3 $M_2$, $\mu$, $m_{\tilde{l}}$, $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$를 변화시켰을 때, 이 신호의 가시성과 $m_A$–$\tan\beta$ 평면 내 발견 가능 범위에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 낮은 쿼크 및 글루ино가 신호의 유의도를 얼마나 악화시키며, 추가 컷으로 이를 보완할 수 있는가?
• RQ5 $\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$ 붕괴 분율은 $\mu$, $M_1$, $M_2$, $m_{\tilde{l}}$에 따라 어떻게 달라지며, 이는 전체 신호 강도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$ 채널은 $\tan\beta \lesssim 40$ 조건에서 100 $fb^{-1}$에서 $m_A \sim$ 230–450 GeV 질량 범위에서 깔끔하고 검출 가능한 서명을 제공한다.
• $M_2 \approx 120$ GeV, $\mu \approx -500$ GeV, $m_{\tilde{l}} \approx 250$ GeV 조건에서, 배경 억제 조건에도 불구하고 신호가 관측 가능하다.
• $ZZ$ 배경은 주요 표준모형 배경이지만, 네 레프톤 및 $Z$-보기 요구 조건으로 효과적으로 억제된다.
• 뉴트리노 쌍 생성 및 쿼크/글루ино 계단 붕괴 유래 스파article 배경은 최대 2개의 제트(각각 $E_T < 50$ GeV) 및 $E_T^{miss}$ 제한 조건을 통해 억제된다.
• $m_{\tilde{q},\tilde{g}} \lesssim 500$ GeV일 경우, 쿼크/글루ино 배경은 뉴트리노 생성과 유사한 수준에 도달하여 발견 가능 범위를 감소시킬 수 있지만, 추가 컷을 통해 여전히 관리 가능하다.
• 신호 발견 가능 범위는 $|\mu|$와 $m_{\tilde{l}}$에 크게 의존한다: $|\mu|$가 클수록 $m_{\tilde{l}}$가 작을수록 $\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$ 붕괴 분율이 증가하여 신호 가시성이 향상된다.