[논문 리뷰] Charged Higgs Bosons in the MSSM at CMS: Discovery Reach and Parameter Dependence

M. Hashemi, S. Heinemeyer외 3명|ArXiv.org|2008. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 MSSM의 초전하 보손에 대한 CMS 실험의 발견 가능 범위를 평가하며, 최신 CMS 실험 감도와 최신 이론적 예측(생산 및 붕괴에 대해)을 결합한다. 결과적으로 힉스 혼합 매개변수 μ는 $M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 평면에서 5σ 발견 경계선을 최대 $\Delta\tan\beta = 40$ 만큼 이동시킬 수 있으며, 큰 음의 μ 값은 초합성 입자로의 붕괴가 억제되고 생산 단면적이 증가함에 따라 가장 넓은 발견 가능 범위를 제공한다.

ABSTRACT

The search for MSSM Higgs bosons will be an important goal at the LHC. In order to analyze the search reach of the CMS experiment for the charged MSSM Higgs bosons, we combine the latest results for the CMS experimental sensitivities based on full simulation studies with state-of-the-art theoretical predictions of MSSM Higgs-boson production and decay properties. The experimental analyses are done assuming an integrated luminosity of 30 fb^-1 for the two cases M_H+- < m_t and M_H+- > m_t. The results are interpreted as 5 sigma discovery contours in M_H+- - tan_beta planes of the MSSM for various benchmark scenarios. We study the dependence of the 5 sigma contours on the variation of the relevant SUSY parameters. Particular emphasis is put on analyzing the variation of the discovery contours with the Higgs mixing parameter mu. The variation of mu can shift the prospective discovery reach in tan_beta by up to Delta tan_beta = 40.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 MSSM의 초전하 보손에 대한 5σ 발견 가능 범위에 미치는 슈퍼대칭 파라미터 변화, 특히 힉스 혼합 매개변수 μ의 영향을 평가하기 위해.
• 30 fb⁻¹의 루미너스티를 기반으로 한 전체 시뮬레이션 기반 CMS 실험 감도 결과와 MSSM 힉스의 생산 및 붕괴에 대한 고도의 이론적 예측을 통합하기 위해.
• 고차항 보정과 초합성 입자로의 붕괴가 경계선에 미치는 영향을 가벼운 및 무거운 초전하 보손 시나리오 모두에 대해 $M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 평면에서 분석하기 위해.
• 최신 결과를 CMS 물리 기술 설계 보고서(PTDR)와 비교하여, $\Delta_b$ 보정 및 초합성 붕괴 포함 등 향상된 이론 입력으로 인한 격차를 규명하기 위해.

제안 방법

• 연구는 두 경우에 대해 전체 시뮬레이션 기반의 CMS 실험 감도를 사용한다: $M_{H^\pm} < m_t$ 및 $M_{H^\pm} > m_t$이며, 통합 루미너스티 30 fb⁻¹을 가정한다.
• 이를 최신 이론적 예측(1-루프 및 leading $\mathcal{O}(\alpha_t\alpha_s)$ 2-루프 보정 포함)과 결합한다.
• 분석은 $m_h^{\rm max}$ 및 무혼합 벤치마크 시나리오에 집중하며, 힉스 혼합 매개변수 μ를 ±200에서 ±1000 GeV 사이로 변화시킨다.
• $\Delta_b$ 보정을 명시적으로 포함하며, 이는 $M_A$와 $M_{H^\pm}$ 간의 관계에 영향을 주고, 초합성 입자로의 붕괴를 고려할 경우 $H^\pm \to \tau\nu_\tau$의 분해율이 감소한다.
• 다양한 μ 값에 대해 $M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 평면에서 5σ의 발견 경계선을 계산하고, CMS PTDR와 비교한다.
• 이론적 보정이 가벼운 초전하 보손과 무거운 초전하 보손 검색 영역 간 격차에 미치는 영향을 평가하며, 특히 $m_h^{\rm max}$ 시나리오에서 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Higgs 혼합 매개변수 μ의 변화가 LHC에서 MSSM의 초전하 보손에 대한 5σ 발견 가능 범위에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 $\Delta_b$ 보정이 $m_h^{\rm max}$ 및 무혼합 시나리오에서 $M_{H^\pm}$–$\tan\beta$ 발견 경계선을 어느 정도 이동시키는가?
• RQ3 초전하 보손이 초합성 입자로 붕괴할 경우, $\tau\nu_\tau$로의 효과적 분해율은 어떻게 변화하며, 이는 실험적 발견 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 CMS 분석에서 가벼운 초전하 보손과 무거운 초전하 보손 검색 영역 사이에 격차가 발생하는가? 이 격차는 분석 전략을 확장함으로써 메울 수 있는가?
• RQ5 향상된 이론 입력을 포함한 새로운 결과는 CMS PTDR 예측과 비교할 때 발견 가능 범위와 경계선 형태 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• Higgs 혼합 매개변수 μ의 변화는 $M_{H^\pm} \gtrsim m_t$일 경우 5σ 발견 경계선을 최대 $\Delta\tan\beta = 40$ 만큼 이동시킨다. 가장 큰 영향은 $m_h^{\rm max}$ 시나리오에서 관찰된다.
• 특히 $M_{H^\pm} = 100$ GeV일 경우, 이동 폭은 $\Delta\tan\beta = 15$에 이르며, $M_{H^\pm}$ 값이 클수록 증가한다.
• μ = -1000 GeV일 때 발견 영역이 가장 넓고, μ = +1000 GeV일 때 가장 작다. 이는 음의 μ에서 생산 단면적이 증가하고 초합성 입자로의 붕괴가 억제되기 때문이다.
• $\Delta_b$ 보정과 초합성 붕괴를 포함함으로써, 가벼운 초전하 보손의 발견 경계선은 $M_A$ 값이 작은 쪽으로 이동하고, 음의 μ에서 큰 $\tan\beta$에서 '굽어짐' 현상이 발생한다.
• 가벼운 초전하 보손과 무거운 초전하 보손의 발견 영역 사이에 작은 격차가 남아 있으며, 이는 μ = +1000 GeV일 때 가장 두드러지게 나타나며 약 ~5 GeV이며, μ = -1000 GeV일 땐 약 ~5 GeV로 가장 작다. 이는 무거운 보손 분석 전략을 $M_A$ 값이 더 작은 영역으로 확장함으로써 격차를 메울 수 있음을 시사한다.
• 무혼합 시나리오에서는 μ 변화의 영향이 정성적으로 유사하지만, $m_h^{\rm max}$ 시나리오에 비해 훨씬 덜 두드러진다.