[논문 리뷰] Unveiling the MSSM Neutral Higgs Bosons with Leptons and a Bottom Quark

Bariş Altunkaynak, Chung Kao외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV에서의 LHC에서 바텀 쿼크와 함께 생성된 중성 미소스프레시피어 표준모형(MSSM) 힉스 보손의 발견 가능성을 조사한다. 이후 타우 렙톤으로 붕괴되고, 이 타우 렙톤은 다시 전자-뮤온 쌍으로 붕괴된다($bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$). $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $L = 300$ fb$^{-1}$ 조건에서, $\tan\beta \approx 50$일 경우 $5\sigma$ 발견 한계는 약 $M_A \approx 800$ GeV까지 확장되며, $\tan\beta \approx 60$일 경우 1 TeV를 초월한다. 이는 타우-제트 채널 대비 더 깔끔한 위상도와 더 낮은 제트 태깅 불확실성 덕분이다.

ABSTRACT

We investigate the prospects for the discovery of neutral Higgs bosons produced with a bottom quark where the Higgs decays into a pair of tau leptons and the taus decay into an electron-muon pair, i.e. $bg o bϕ^0 o bτ^+τ^- o be^\pmμ^\mp + E\!\!\!/_T$, $ϕ^0 = h^0, H^0, A^0$. Our study has been done within the framework of the Minimal Supersymmetric Standard Model. We consider the dominant physics backgrounds including the production of Drell-Yan processes ($bτ^+τ^-$ and $jτ^+τ^-, j = q, g$), top quark pair ($t\bar{t}$), $tW$ and $jWW$ with realistic acceptance cuts and efficiencies. We present $5σ$ discovery contours for the neutral Higgs bosons in the ($M_A, anβ$) plane as well as the region with a favored light Higgs mass (123 GeV $\le m_h\le$ 129 GeV). Promising results are found for the CP-odd pseudoscalar ($A^0$) and the heavier CP-even scalar ($H^0$) Higgs bosons with masses up to 800 GeV and $ anβ\simeq 50$ at the LHC with a center of mass energy ($\sqrt{s}$) of 14 TeV and an integrated luminosity ($L$) of 300 fb$^{-1}$. With $\sqrt{s} =$ 14 TeV and $L =$ 3000 fb$^{-1}$, LHC will be able to discover the Higgs pseudoscalar and the heavier Higgs scalar beyond $M_A = 1000$ GeV.

연구 동기 및 목표

• 중성 MSSM 힉스 보손을 위한 깔끔하고 타우-제트 없이 전자-뮤온 쌍과 미소 가로 운동량을 포함한 최종 상태를 이용한 서명을 탐색한다.
• LHC에서 $bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$ 채널에서 $h^0$, $H^0$, $A^0$의 발견 가능성을 평가한다.
• 실제 수용 범위 컷, 검출기 효율성 및 주요 배경($\text{Drell-Yan}$, $t\bar{t}$, $tW$, $jWW$)이 신호 관측 가능성에 미치는 영향을 평가한다.
• 다양한 루미노사티 및 에너지 조건에서 ($M_A$, $\tan\beta$) 평면 상의 $5\sigma$ 발견 경계를 결정한다.
• 현재 LHC 배제 한계와 일치하는 무거운 SUSY 스펙트럼 조건에서 MSSM 힉스 섹터의 탐색 가능성을 검토한다.

제안 방법

• 신호 과정은 $bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$이며, $\phi^0 = h^0, H^0, A^0$로, MSSM 프레임워크 내에서 분석된다.
• 주요 배경의 계산에 전체 스핀 상관관계를 포함한다: $\text{Drell-Yan}$ ($b\tau^+\tau^-$, $j\tau^+\tau^-$), $t\bar{t}$, $tW$, $jWW$.
• 실제 LHC 조건을 시뮬레이션하기 위해 수용 범위 컷과 검출기 효율성을 적용하며, 특히 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$ 변수를 사용한다.
• 신호 및 배경 단면적은 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 parton 수준에서 계산되며, 통합 루미노사티 30, 300, 3000 fb$^{-1}$에 대한 $5\sigma$ 발견 경계가 유도된다.
• 분석은 SUSY 기여를 줄이기 위해 무거운 SUSY 스펙트럼($M_{\text{SUSY}} = 1$ TeV)을 가정하여, 주로 힉스 생성 및 붕괴에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 14 TeV LHC에서 $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $L = 300$ fb$^{-1}$ 조건에서 $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$ 최종 상태에서 MSSM 중성 힉스 보손의 $5\sigma$ 발견 한계는 어느 정도인가?
• RQ2 $bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$ 채널에서 $M_A$와 $\tan\beta$에 따라 신호 단면적과 배경 억제는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$ 컷이 고질량 영역에서 신호의 유의도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 다양한 루미노사티 조건에서 $A^0$, $H^0$, $h^0$ 각각의 발견 가능성을 어떻게 비교할 수 있는가?
• RQ5 $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$ 채널은 특히 배경 억제 및 태깅 불확실성 감소 측면에서 타우-제트 기반 채널에 비해 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 14 TeV 및 $L = 300$ fb$^{-1}$ 조건에서, $\tan\beta \approx 50$일 경우 $M_A \approx 800$ GeV까지 $5\sigma$ 발견 한계가 확장되며, $\tan\beta \approx 60$일 경우 거의 $M_A = 1$ TeV까지 확장된다.
• 14 TeV에서 $M_A = 800$ GeV 및 $\tan\beta = 50$일 경우, 신호 단면적은 약 1.5 fb이다.
• 저질량 $M_A$ 영역에서 $\text{Drell-Yan}$ 과정이 주요 배경이며, 고질량 영역에서는 $t\bar{t}$ 및 $tW$가 지배한다.
• $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$ 컷은 특히 고질량 영역에서 신호의 유의도를 크게 향상시킨다.
• $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$ 채널은 타우-제트 태깅에 기인한 불확실성을 제거함으로써 타우-제트 기반 채널에 비해 더 깔끔한 대안을 제공한다.
• $L = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서, LHC는 큰 $\tan\beta$ 조건에서 $M_A = 1000$ GeV를 초월하는 $A^0$ 및 $H^0$ 힉스 보손을 탐색할 수 있다.