[論文レビュー] Closing the Window on Light Charged Higgs Bosons in the NMSSM

Johan Rathsman, Thomas Rößler|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、次元が最小の超対称標準模型（NMSSM）における軽量の電荷を帯びたヒッグスボソン（$h^\pm$）の発見可能性を調査している。$m_{h^\pm} < m_t$ の場合、$h^\pm$ は主に軽量のCP非対称ヒッグス（$a_1$）と$W$ボソンに崩壊する。LHCにおける20 fb$^{-1}$の統合ルミノリティで$t\bar{t}$生成を用いることで、$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$のブランチング比が約1%を超える場合、このような状況は発見可能であることが示されている。ただし、$a_1$ が単一の$b\bar{b}$ジェットに崩壊し、$W$ がレプトン崩壊を示す場合に限る。

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal SuperSymmetric Model (NMSSM) the lightest CP-odd Higgs bosons (a1) can be very light. As a consequence, in addition to the standard charged Higgs boson (h+) decays considered in the MSSM for a light charged Higgs (m_h+ &lt; m_t), the branching fraction for h+ to a1 W can be dominant. We investigate how this signal can be searched for in t tbar production at the Large Hadron Collider (LHC) in the case that m_a1 \gtrsim 2m_B with the a1 giving rise to a single b bbar-jet and discuss to what extent the LHC experiments are able to discover such a scenario with an integrated luminosity \sim 20 fb-1. We also discuss the implications of the possible Higgs-signal observed at the LHC.

研究の動機と目的

• 電荷を帯びた軽量ヒッグスボソンが主に$h^\pm \to a_1 W$に崩壊する場合、NMSSMにおけるその検出可能性を評価すること。
• 20 fb⁻¹の統合ルミノリティを用いた$t\bar{t}$生成を用いて、この崩壊チャネルに対するLHCの感度を評価すること。
• 125 GeV付近の観測されたヒッグスに類似した信号とこのシナリオが整合するかを検証すること。
• $B$崩壊および直接探索による実験的制約が、許容可能なパラメータ空間に与える影響を検討すること。

提案手法

• LHCにおける$t\bar{t}$生成をシミュレートし、崩壊チェーン$t \to b h^+ \to b a_1 W$に注目する。$a_1 \to b\bar{b}$および$W \to \ell\!\!\!\!\!\!\!\!- \(\nu_\ell$を想定する。
• 失われた横断運動量を用いて$W$ボソンの4元運動量を再構築し、$a_1$ジェットと組み合わせて$m_{h^\pm}$での質量ピークを形成する。
• 標準的なジェット探索アルゴリズムと$b$タギングを用い、トップおよび$a_1$崩壊由来の$b$ジェットを特定する。
• バックグラウンド解析を実施し、不可避な$t\bar{t}b\bar{b}$過程に注目するとともに、通常のジェットが$b$ジェットとして誤ってタグ付けされる可能性を評価する。
• $B_{u} \to \tau\nu_\tau$および$B_s \to \mu^+\mu^-$崩壊からの制約を適用する。これらはモデル依存的ではあるが、重要である。
• LHCで観測された125 GeVのヒッグス信号、特に$h_{\text{SM}} \to \gamma\gamma$率との整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、$h^\pm \to a_1 W$が主な崩壊モードである軽量の電荷を帯びたヒッグスボソンを発見可能か？
• RQ2 20 fb⁻¹の統合ルミノリティにおいて、$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$の崩壊チェーンが検出可能となるために必要な最小ブランチング比は何か？
• RQ3 $B$物理学の間接的制約が、軽量$a_1$の許容パラメータ空間に与える影響は？
• RQ4 $h^\pm \to a_1 W$の崩壊モードは、$\gamma\gamma$生成率の観点から、観測された125 GeVのヒッグス信号と整合するか？
• RQ5 標準的QCDバックグラウンドの存在下でも、$a_1$共鳴状態は単一の$b\bar{b}$ジェットとして再構築可能か？

主な発見

• 20 fb⁻¹の統合ルミノリティを用いる場合、$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$の崩壊チェーンの組み合わせブランチング比が約1%を超えると、LHCは軽量の電荷を帯びたヒッグスボソンを発見可能である。
• $a_1$ボソンが$b\bar{b}$閾値を超える場合、$W$ボソンの運動量を失われた横断運動量から再構築することで、$b\bar{b}$ジェットとして単一のジェットとして再構築可能であり、$m_{h^\pm}$の質量ピークが得られる。
• 主な不可避なバックグラウンドは$t\bar{t}b\bar{b}$生成であるが、ジェットが$b$ジェットとして誤ってタグ付けされるリスクが顕著な課題である。
• $B_{u} \to \tau\nu_\tau$および$B_s \to \mu^+\mu^-$からの制約を組み合わせても、$\tan\beta \in [1,10]$の範囲で$h^\pm \to a_1 W$が支配的となる可能性のある許容可能なパラメータ空間が依然として存在する。
• 125 GeVのヒッグス信号と整合性を保つために、軽量で強く結合する$a_1$を想定することは困難であり、これは$R_{gg\gamma\gamma}^{h_i}$が大きくなりすぎないようカップリングを微調整する必要があるためである。
• 本研究の結論として、125 GeVの信号が確認されようがしまいが、LHCはこの軽量の電荷を帯びたヒッグスボソンを発見するか、その存在に対して極めて厳しい制約を課すはずである。