[논문 리뷰] Higgs Production in Neutralino Decays in the MSSM - The LHC and a Future e+e- Collider

Etera R. Livine, M. Battaglia외 1명|INRIA a CCSD electronic archive server|2012. 12. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 중성미자 붕괴를 통한 힉스 보손 생성을 조사하며, $\chi_2^0, \chi_3^0 \to h\chi_1^0$ 붕괴가 비제약적 MSSM 시나리오에서 SUSY 붕괴 체인에서 $h$ 보손의 주요 기여원임을 입증한다. $2\times10^8$개의 pMSSM 점과 CMSSM와의 비교를 통해 LHC가 13–14 TeV에서 관련 매개변수 공간의 50% 이상를 탐색할 수 있으며, 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 $\sqrt{s} \geq 1$ TeV에서 힉스 수율을 약 5% 정밀도로 측정할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The search for the production of weakly-interacting SUSY particles at the LHC is crucial for testing supersymmetry in relation to dark matter. Decays of neutralinos into Higgs bosons occur over some significant part of the SUSY parameter space and represent the most important source of $h$ boson production in SUSY decay chains in the MSSM. We study h production in neutralino decays using scans of the phenomenological MSSM. Whilst in constrained MSSM scenarios the decay chi^0_2 -> h chi^0_1 is the dominant channel, this does not hold in more general MSSM scenarios. On the other hand, the chi^0_2,3 -> h chi^0_1 decays remain important and are highly complementary to multi-lepton final states in the LHC searches. The perspectives for the LHC analyses at 8 and 14 TeV as well as the reach of an e+e- collider at 0.5, 1, 1.5 and 3 TeV are discussed.

연구 동기 및 목표

• pMSSM 내에서 SUSY 붕괴 체인에서의 주요 힉스 보손 생성 채널을 규명하고, 특히 중성미자 붕괴를 통한 생성을 중심으로 한다.
• pMSSM 매개변수 공간 전반에서 LHC가 8 및 14 TeV에서 중성미자 붕괴를 통한 $h$ 생성에 대해 어떤 민감도를 보이는지 평가한다.
• 미래의 $e^+e^-$ 선형 충돌기($\sqrt{s} = 0.5$–3 TeV)가 중성미자 붕괴에서 힉스 보손으로의 탐색 가능성을 평가한다.
• 유연한 pMSSM 프레임워크의 결과를 매우 제약적인 CMSSM과 비교하여 붕괴 채널 지배성의 차이를 부각한다.
• 미래의 $e^+e^-$ 충돌기에서 중성미자 붕괴로부터 유도된 힉스 보손 수율과 질량 측정의 정밀도를 정량화한다.

제안 방법

• pMSSM의 19개 자유 매개변수에 대해 평탄한 스캔을 수행하여 $2\times10^8$개의 점을 생성하였으며, LEP2, 테바트론, 프리미티브 물리학, 암흑물질 잔류 밀도 등의 제약 조건을 적용하였다.
• SUSY 질량 스펙트럼을 계산하기 위해 SOFTSUSY 3.2.3를 사용하였고, 중성미자 붕괴의 분해율을 계산하기 위해 SDecay를 활용하였다.
• 히iggs 붕괴 분해율 계산에는 HDECAY(5.0)를 사용하였으며, LHC 및 $e^+e^-$ 충돌기 분석을 위한 검출기 수준 시뮬레이션을 구현하였다.
• LHC의 4-제트 + MET 최종 상태에서 $h \to b\bar{b}$ 붕괴를 식별하기 위해 제트 쌍화 및 이중 제트 질량 재구성 기법을 적용하였다.
• $e^+e^-$ 충돌기에서 이중 제트 질량 분포에 대해 $\chi^2$ 피팅을 수행하여 $h$, $Z$, $W$ 보손 수율을 추출하였으며, Breit-Wigner 및 가우시안 파arametrization을 사용하였다.
• LCFIVertex의 ZVTOP 알고리즘을 사용하여 b-태깅을 수행하고, $e^+e^-$ 충돌기 이벤트 재구성에서 신호 분리 성능을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pMSSM에서 어떤 중성미자 붕괴 채널이 힉스 보손 생성의 주요 기여원이며, CMSSM와 비교해보면 어떻게 다른가?
• RQ2 LHC가 8 및 14 TeV에서 pMSSM 매개변수 공간 전반에 걸쳐 중성미자 붕괴를 통한 $h$ 생성에 대해 기대되는 민감도는 어떠한가?
• RQ3 LHC의 SUSY 탐색에서 다중 렙톤 최종 상태와의 보완성은 $h$ 채널 붕괴에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 미래의 $e^+e^-$ 충돌기($\sqrt{s} = 0.5$–3 TeV)가 중성미자 붕괴를 통한 $h$ 생성 탐색에 대해 어떤 임계 범위를 갖는가?
• RQ5 $e^+e^-$ 충돌기가 중성미자 붕괴에서 기인한 힉스 보손에 대해 질량 정밀도를 1% 미만, 수율 정밀도를 약 5% 이내로 달성할 수 있는가?

주요 결과

• pMSSM에서 $\tilde{\chi}^0_{2,3} \to h\tilde{\chi}^0_1$ 붕괴가 비제약적 시나리오에서 SUSY 붕괴 체인에서 $h$ 보손 생성의 주요 기여원이며, 제약적 시나리오에서의 $\tilde{\chi}^0_2 \to h\tilde{\chi}^0_1$ 붕괴를 초월한다.
• 13–14 TeV에서 $h$ 채널은 전기약력 채널-중성미자 쌍 생성을 통한 pMSSM 점의 절반 이상을 차지하며, 넓은 탐색 가능성을 시사한다.
• 8 TeV에서 $bb\ell$ + MET 최종 상태의 단면적과 분해율의 곱은 $0.01–1$ fb이며, $M_{\tilde{\chi}^0_{2,3}} \leq 600$ GeV인 경우 14 TeV에서는 약 3배 더 크다.
• HL-LHC는 중성미자 붕괴에서 기인한 $h$ 보손 비율을 통계적 정밀도 10% 이내로 측정할 수 있다.
• $\sqrt{s} \geq 1$ TeV, 루미너스티 1.0–3.0 ab$^{-1}$인 $e^+e^-$ 충돌기에서는 중성미자 붕괴에서 기인한 힉스 보손 수율을 약 5% 정밀도로 측정할 수 있다.
• 3 TeV $e^+e^-$ 충돌기에서 이중 제트 질량 분포에 대한 피팅 결과, $h$ 보손 비율은 $0.269 \pm 0.013$로, 생성된 값인 $0.290$과 유사하여 정밀 재구성의 가능성을 확인한다.