[논문 리뷰] The Scope of the 4 tau Channel in Higgs-strahlung and Vector Boson Fusion for the NMSSM No-Lose Theorem at the LHC

A. Belyaev, S. Hesselbach외 4명|ArXiv.org|2008. 05. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM)의 $ h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau $ 붕괴 채널을 Higgs-strahlung (HS) 및 벡터 보손 융합 (VBF) 생성 메커니즘을 사용하여 연구한다. $2\mu+2$ 제트 서명을 통해 분석하며, VBF는 100 fb$^{-1}$ 루미너스에서 연간 최대 8,000건의 이벤트를 기대할 수 있어, 경량 힉스 보손을 발견할 수 있는 유망한 경로로, $M_{a_1} < 2m_b$ 조건에서 NMSSM의 '노리스크' 정리에 기여한다. 연구는 동일 전하 이중 뮤온 트리거의 낮은 임계값을 통해 감도를 향상시킬 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

We study the potential of the h_1 -&gt; a_1 a_1 -&gt; 4 tau signal from the lightest scalar (h_1) and pseudoscalar (a_1) Higgs bosons to cover the parameter space of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) at the Large Hadron Collider (LHC). We exploit a 2 mu + 2 jets signature from four taus decays (accompanied by missing transverse energy), resorting to both Higgs-strahlung (HS), by triggering on leptonic W^\pm decays, and Vector Boson Fusion (VBF), by triggering on two same sign non-isolated muons.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 NMSSM의 최경량 CP-짝성 힉스 보손 $h_1$ 의 $h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$ 붕괴 채널을 통해 발견 가능성을 평가하는 것.
• $M_{a_1} < 2m_b$ 이며 $a_1 \to b\bar{b}$ 가 운동역학적으로 금지된 조건에서, $4\tau$ 채널이 타당한 NMSSM 매개변수 공간을 얼마나 커버할 수 있는지 평가하는 것.
• 반드시 반입자 레이어를 거쳐 $\tau$ 붕괴하는 경우의 $2\mu+2$ 제트 서명이, 반경성 $\tau$ 붕괴와 함께 HS 및 VBF 생성 방식을 통해 실험적 관측에 적합한 높은 이벤트 수를 달성할 수 있는지 테스트하는 것.
• 모든 매개변수 공간 범위에서 $h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$ 가 강력한 발견 채널을 제공함으로써, NMSSM의 '노리스크' 정리에 기여할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• LEP, $B$-물리학, WMAP 암흑물질 잔류 밀도 제약 조건을 포함한 14개의 NMSSM 매개변수에 대한 광범위한 매개변수 스캔을 수행하였다.
• NMSSMTools 패키지를 사용하여 힉스 질량, 결합 상수, 붕괴 확률을 계산하여 실험적 및 이론적 제약 조건과 일치하도록 하였다.
• PYTHIA를 사용하여 Higgs 생성 및 붕괴 과정을 시뮬레이션하였으며, Higgs-strahlung (HS) 및 벡터 보손 융합 (VBF) 방식을 포함하였다.
• 이벤트 선택은 $2\mu+2$ 제트 서명을 기반으로 하였다: $\tau \to \mu\nu\nu$ 에서 기인한 고립된 두 뮤온, 한 개의 트랙을 가진 두 $\tau$ 제트, 그리고 두 개의 고 $p_T$ 제트; 뮤온은 $\tau$ 트랙과 반대 전하를 가져야 했다.
• HS의 경우, $p_T > 19$ GeV (뮤온) 또는 $26$ GeV (전자) 조건을 만족하는 고립된 $W^\pm \to \ell\nu$ 붕괴를 트리거로 사용하였다. VBF의 경우, $p_T > 7$ GeV 인 동일 전하 이중 뮤온 트리거를 사용하였다.
• 선택 절차에서 두 개의 $\tau$ 제트를 초과하는 추가 제트를 포함한 이벤트는 제거되어 신호 순도가 향상되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경성 $\tau$ 붕괴에서 기인한 $2\mu+2$ 제트 서명을 통해 LHC에서 NMSSM의 $h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$ 붕괴 채널을 관측할 수 있는가?
• RQ2 이 채널의 발견 가능성은 Higgs-strahlung (HS) 및 벡터 보손 융합 (VBF) 생성 모드에서 각각 어떻게 되는가?
• RQ3 $M_{h_1}$ 과 $M_{a_1}$ 에 따라 $4\tau$ 채널의 이벤트 수가 어떻게 변하는가? 특히 $M_{a_1} < 2m_b$ 영역에서의 변화를 분석한다.
• RQ4 이 채널이 넓은 매개변수 공간 범위를 커버함으로써, NMSSM의 '노리스크' 정리를 뒷받침할 수 있는가?
• RQ5 특히 동일 전하 이중 뮤온 임계값은 $4\tau$ 채널에서 감도를 극대화하기 위해 어떤가 중요한가?

주요 결과

• 선택 절차 후, VBF 생성 채널은 100 fb$^{-1}$ 루미너스에서 연간 최대 8,000건의 이벤트를 기대할 수 있었으며, Higgs-strahlung에 비해 약 8배 높은 수준이었다.
• HS 및 VBF 모두에서 최대 단면적은 $M_{h_1} \gtrsim M_Z$ 인 경우에 발생하지만, VBF는 낮은 $h_1$ 질량에서도 민감도를 유지하였다.
• 이벤트 수는 $a_1$ 의 $2m_\tau$ 임계값을 略상회하여 최대가 되었으며, $M_{a_1} > 2m_\tau$ 이며 $M_{a_1} < 2m_b$ 인 영역에서도 상당한 이벤트 수를 기대할 수 있었다.
• 참고문헌 [18, 20]의 벤치마크 포인트 P2 및 P3는 중간 수준의 이벤트 수를 기록하여, 결과가 과도하게 유리한 매개변수 영역에 편향되지 않았음을 시사한다.
• 낮은 임계값의 동일 전하 이중 뮤온 트리거와 함께 $2\mu+2$ 제트 서명은 VBF 채널에 접근하고 발견 가능성을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 연구는 $4\tau$ 채널, 특히 VBF 경로를 통해 타당한 NMSSM 매개변수 공간의 상당 부분을 커버할 수 있으며, 이는 모델의 '노리스크' 정리를 지지한다.