[논문 리뷰] Scope of Higgs production in association with a bottom quark pair in probing the Higgs sector of the NMSSM at the LHC

M. M. Almarashi, Stefano Moretti|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 대량의 $\tan\beta$ 조건에서 NMSSM에서 바닥 쿼크 쌍과 함께 연관 생성되는 매우 가벼운 CP-오염 힉스 보손 $a_1$의 LHC 탐지 가능성을 조사한다. $\tau^+\tau^-$ 및 $\mu^+\mu^-$ 붕괴 모드가 최적의 탐지 채널임을 규명하며, MSSM에서는 확보할 수 없는 이러한 가벼운 $a_1$ 상태들이 탐지 가능하며, MSSM을 초월한 비최소 힉스 섹터에 대한 강력한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We review the potential of the LHC to detect a very light CP-odd Higgs boson of the NMSSM, $a_1$, through its direct production in association with a bottom-quark pair at large tan$β$. We also review the LHC discovery potential of the two lightest CP-even Higgs states, decaying into two lighter Higgs states or into the lightest CP-odd Higgs state and the $Z$ gauge boson.

연구 동기 및 목표

• very light CP-odd Higgs boson $a_1$의 LHC 탐지 가능성을 NMSSM에서 평가하기 위해.
• 큰 $\tan\beta$ 조건에서 바닥 쿼크 쌍과의 연관 생성이 MSSM의 한계를 극복하고 $a_1$를 탐지할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 크게 존재하는 QCD 배경에도 불구하고 $a_1$ 붕괴 모드인 $\tau^+\tau^-$, $\mu^+\mu^-$, $\gamma\gamma$의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• Higgs-to-Higgs 붕괴가 신호 강도를 증가시키고 여러 Higgs 상태를 동시에 탐지할 수 있도록 하는 역할을 조사하기 위해.
• NMSSM 힉스 현상학에서 LHC 조건 하에 'No-lose' 및 'More-to-gain' 정리의 타당성 검증하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 이중자와 하나의 단일 스터브 필드로부터 유래하는 세 개의 CP-짝성, 두 개의 CP-오염, 그리고 전하를 가진 Higgs 상태를 포함하는 NMSSM 힉스 섹터 분석하기.
• axion 및 도메인 월 문제를 피하기 위해 $\lambda$ 및 $\kappa$ 결합을 포함하는 NMSSM 초위상에서 효과적인 $\mu$-항 생성 및 $U(1)_{PQ}$ 대칭성 파괴하기.
• F-항, D-항 및 소프트-브레이킹 항을 포함하는 스칼라 포텐셜 구축하며, $H_u$, $H_d$, $S$의 진공 기대값 포함하기.
• 대량의 $\tan\beta$ 영역에서 LHC에서 $b\bar{b}$ 쌍과 함께 Higgs 생성 현상학적 분석 수행하기.
• 주요 배경과 운동량 절단 조건을 사용하여 $a_1$ 붕괴의 신호 대 배경 비율 평가하기: $\tau^+\tau^-$, $\mu^+\mu^-$, $b\bar{b}$, $\gamma\gamma$.
• NMSSM에서는 가능하지만 MSSM에서는 불가능한 운동역학적으로 허용되는 Higgs-to-Higgs 붕괴, 예를 들어 $h_1 \to a_1 a_1$, $h_2 \to a_1 a_1$, $h_2 \to h_1 h_1$ 고려하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대량의 $\tan\beta$ 조건에서 바닥 쿼크 쌍과의 연관 생성 방식으로 $m_{a_1} \lesssim M_Z$인 매우 가벼운 CP-오염 힉스 보손 $a_1$을 LHC가 탐지할 수 있는가?
• RQ2 $a_1$의 어떤 붕괴 모드가 LHC에서 탐지 가능성을 높이는 최고의 신호 대 배경 비율을 제공하는가?
• RQ3 NMSSM에서 Higgs-to-Higgs 붕괴가 여러 Higgs 상태를 동시에 탐지할 수 있는 가능성을 얼마나 높이는가?
• RQ4 크게 존재하는 QCD 배경에도 불구하고 $a_1$의 $\gamma\gamma$ 붕괴 모드는 탐지 가능성이 있는가?
• RQ5 LHC에서 연관 생성과 캐스케이드 붕괴를 통해 $h_1$, $h_2$, $a_1$을 동시에 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 대량의 $\tan\beta$ 조건에서 $b\bar{b}$ 연관 생성 모드가 지배적이며, 매우 가벼운 $a_1$ 탐지에 가장 유리한 생성 채널을 제공한다.
• $\tau^+\tau^-$ 붕괴 모드는 $M_Z$ 이하의 질량까지 $a_1$ 탐지 가능하며, 깔끔한 서명과 제어 가능한 배경을 제공한다.
• $\mu^+\mu^-$ 붕괴 모드는 질량 범위 $10 \lesssim m_{a_1} \lesssim 60$ GeV에서 신호 대 배경 비율이 유리하여 $a_1$ 탐지 가능하다.
• $b\bar{b}$ 붕괴 모드는 분포율이 높지만, 지배적인 QCD 배경과 낮은 신호 대 배경 비율로 인해 탐지에 부적합하다.
• $\gamma\gamma$ 붕괴 모드는 일부 매개변수 영역에서 지배적이지만, 부족한 신호 유의도로 인해 탐지 채널로는 실패한다.
• Higgs-to-Higgs 붕괴, 예를 들어 $h_1 \to a_1 a_1$ 및 $h_2 \to a_1 a_1$는 NMSSM 매개변수 공간의 상당한 영역에서 지배적이며, 여러 Higgs 상태의 동시에 탐지 가능성을 높이고 'More-to-gain' 정리의 지원을 받는다.