[论文解读] Central Exclusive Production of BSM Higgs bosons at the LHC

S. Heinemeyer, V. A. Khoze+3 more|ArXiv.org|Nov 27, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 10

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，通过前向质子探测技术，利用中心电荷弹性（CED）过程产生希格斯玻色子的最小超对称标准模型（MSSM）中的情况，以高分辨率探测CP-偶性希格斯态。结果表明，CED在大-$\tan\beta$和重-$m_A$参数区域中具有优越的探测灵敏度，高亮度条件下，$3\sigma$发现范围几乎覆盖了整个$m_A$--$\tan\beta$平面，尤其适用于$h\to b\bar{b}$和$H\to b\bar{b}$衰变模式。

ABSTRACT

The prospects for central exclusive diffractive (CED) production of MSSM Higgs bosons at the LHC are reviewed. These processes can provide important information on the $\cp$-even Higgs bosons, allowing to probe interesting regions of the $\MA$--$ b$ parameter plane. The sensitivity of the searches in the forward proton mode for the Higgs bosons in the so-called CDM-benchmark scenarios and the effects of fourth-generation models on the CED Higgs production are briefly discussed.

研究动机与目标

• 评估在LHC上通过前向质子探测技术，利用中心电荷弹性（CED）过程探测MSSM希格斯玻色子的可行性。
• 评估在$m_A$--$\tan\beta$参数平面上，CED希格斯玻色子搜索的灵敏度，特别是针对CDM基准情景。
• 研究第四代费米子对CED希格斯玻色子产生率及信背比的影响。
• 在实际亮度和探测器条件下，量化$h\to b\bar{b}$和$H\to b\bar{b}$通道的发现潜力。
• 将CED产生率与背景与标准模型预期进行比较，强调由于过程的唯一性，质量分辨率提高且背景减少。

提出的方法

• 本研究采用FeynHiggs 2.6.2代码计算MSSM希格斯玻色子的胶子部分宽度和分支比，包含高阶修正。
• CED截面通过依赖希格斯玻色子质量$M$、胶子部分宽度$\Gamma(H\to gg)$和分支比$\text{BR}^{\text{MSSM}}$的参数化公式（公式1）估算，并在$M=120$ GeV处归一化。
• 对$b\bar{b}$末态的背景贡献通过参数表达式（公式2）建模，考虑了误识别喷注、$|J_z|=2$态和辐射过程的影响。
• 通过在$3\sigma$统计轮廓下对CDM基准情景的$m_A$--$\tan\beta$平面进行分析，评估信号显著性，考虑60和600 fb$^{-1}$的亮度情景。
• 分析中纳入了第四代夸克的影响，其使$\Gamma(H\to gg)$增强约9倍，从而提高CED信号率相对于标准模型的水平。
• 探测器接受度和选择效率基于安装在对撞点$\pm 220$ m和$\pm 420$ m处的前向质子探测器配置进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，中心电荷弹性过程是否能显著增强对MSSM中CP-偶性希格斯玻色子的探测灵敏度，特别是在大-$\tan\beta$和高-$m_A$区域？
• RQ2 在CDM基准情景下，$h\to b\bar{b}$和$H\to b\bar{b}$衰变模式在不同亮度水平下的预期$3\sigma$发现范围是多少？
• RQ3 第四代费米子双态的存在如何影响LHC上Higgs玻色子的CED产生率和信背比？
• RQ4 与标准模型希格斯产生模式相比，CED过程的唯一性在多大程度上提升了质量分辨率并抑制了背景？
• RQ5 在60 fb$^{-1}$积分亮度下，第四代模型中$H\to b\bar{b}$和$H\to WW$的可观测信号事件数预期是多少？

主要发现

• 在CDM基准情景P3的$h\to b\bar{b}$通道中，600 fb$^{-1}$有效亮度下，$3\sigma$发现范围几乎覆盖整个$m_A$--$\tan\beta$参数平面，仅在$m_A \approx 125$ GeV附近存在一个狭窄的空洞区域。
• 在$H\to b\bar{b}$通道中，60 fb$^{-1}$亮度下，$3\sigma$发现范围可延伸至$\tan\beta = 25$，在600 fb$^{-1}$亮度下，覆盖范围可超过$M_H = 240$ GeV。
• 在第四代模型中，低质量区域（115–130 GeV）的CED $H\to b\bar{b}$信号率比标准模型高出5至6倍，使其具有极高的可探测性。
• 对于$H\to WW$衰变且$M_H > 210$ GeV的情况，信号率相比标准模型增强约9倍，且在$M_H = 120$ GeV时，信背比$S/B > 5$。
• 在60 fb$^{-1}$亮度下，预计可观测到约25个$H\to b\bar{b}$和45个$H\to WW$信号事件，且两通道的$S/B > 5$，表明实验上具有高度可行性。
• 在200–250 GeV范围内的$H\to ZZ$通道尤为有利，因为其主要物理背景（Z辐射）可被显著抑制。