[논문 리뷰] How to Detect `Decoupled' Heavy Supersymmetric Higgs Bosons

Mike Bisset, N. Kersting외 1명|ArXiv.org|2007. 09. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중성미온 쌍(χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰)으로 붕괴하는 더 무거운 중성미온 상태가 포함될 경우, LHC에서 고립된 무거운 MSSM 힉스 보손(H⁰, A⁰)을 4ℓ + Eₜmiss 서명으로 탐지할 수 있음을 제안한다. 기존의 표준 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 모드 외에도 고립된 중성미온 상태가 포함될 경우, 특히 M₂가 작고 |μ|가 중간일 때, SM 단일 붕괴 신호가 실패하는 고-Mₐ, 중간-tanβ '고립 영역'으로의 탐지 범위가 크게 확장됨을 보여준다.

ABSTRACT

Heretofore neglected decay modes of heavy MSSM Higgs bosons into a variety of neutralino pairs may push the LHC discovery reach for these crucial elements of an extended Higgs sector to nearly the TeV-scale -- if sparticle-sector MSSM input parameters are favorable. This is well into the so-called decoupling region, including moderate to low tan(beta) values, where no known signals exist for said heavy Higgs bosons via decays involving solely SM daughter particles, and the lighter h^0 mimics the lone SM Higgs boson. While the expanse of the Higgs to sparticle discovery region is sensitive to a number of MSSM parameters, including in particular those for the sleptons, its presence is primarily linked to the gaugino inputs -- in fact, to just one parameter, M_2, if gaugino unification is invoked. Thus consideration of high vs. low M_2 realms in the MSSM should be placed on a par with the extensive consideration already given to high vs. low tan(beta) regimes.

연구 동기 및 목표

• 고-Mₐ, 중간-tanβ의 고립 영역에서 SM 단일 붕괴 신호가 존재하지 않는 상황에서 LHC에서 고립된 무거운 MSSM 힉스 보손의 탐지 범위가 부족한 문제를 해결한다.
• 기존의 표준 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 모드 외에 고립된 중성미온 상태(χ̃₃⁰, χ̃₄⁰)로의 고립된 H⁰ 및 A⁰ 붕괴 모드를 고려한다.
• 이러한 새로운 붕괴 채널이 4ℓ + Eₜmiss 신호율을 크게 향상시키며, 특히 M₂가 작고 |μ|가 중간일 경우에 특히 두드러진다.
• 이전 연구들이 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 붕괴에만 국한되어 있었기 때문에, MSSM 매개변수 공간에서의 주요 탐지 잠재력을 간과하고 있음을 드러낸다.
• 고립된 중성미온 붕괴의 포함이 고립 영역에서의 고립된 힉스 보손에 대한 LHC 탐색 전략을 보다 완전하고 현실적으로 만들기 위해 필수적임을 입증한다.

제안 방법

• pp → H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰ → 4ℓ + 2χ̃₁⁰ (Eₜmiss)의 모든 가능한 붕괴 체인을 종합적으로 분석하며, 모든 중성미온 상태(i,j = 1–4)와 채지노를 포함한다.
• 나무 수준의 MSSM 매개변수를 사용: Mₐ, tanβ, μ, M₂, M₁ (M₁ ≈ 5/3 tan²θW M₂, 게이지 단일화 조건 하에).
• 300 fb⁻¹ 루미너스티를 기준으로 (Mₐ, tanβ) 평면에서 1,000개 이상의 점을 대상으로 신호율을 시뮬레이션한다. μ와 M₂를 변화시켜 분석한다.
• 4ℓ + Eₜmiss 최종 상태에 대한 포함적 생성률과 분해율을 계산하며, 특히 χ̃₃⁰χ̃₄⁰ 및 기타 더 무거운 중성미온 쌍의 기여를 중점적으로 고려한다.
• 두 벤치마크 세트(1: χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 붕괴만 포함, 2: 모든 중성미온 상태 포함)의 탐지 영역(d.r.’s)을 비교한다.
• ATLAS의 SM 붕괴 모드 탐지 범위 예측과 대조하여, ATLAS 연구에서 제한된 매개변수 선택이 실제 탐지 잠재력을 과소평가할 수 있음을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 중성미온 쌍(χ̃₃⁰, χ̃₄⁰)으로의 붕괴가 포함될 경우, 고-Mₐ, 중간-tanβ의 고립 영역에서 고립된 무거운 MSSM 힉스 보손의 탐지 범위는 어떻게 되는가?
• RQ2 M₂와 힉스 히노 혼합 매개변수 μ에 따라 H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰ 붕괴에서 유래하는 4ℓ + Eₜmiss의 LHC 신호율은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 더 무거운 중성미온 붕괴를 배제한 이전의 LHC 힉스 탐색 전략은 MSSM 매개변수 공간에서의 실제 탐지 잠재력을 얼마나 많이 누락하고 있는가?
• RQ4 온셸 두 개체 붕괴(예: χ̃ᵢ⁰ → ℓ⁻ℓ⁺χ̃₁⁰)의 포함이 삼체 붕괴에 비해 4ℓ + Eₜmiss의 신호율을 어떻게 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 동일한 MSSM 입력 매개변수를 사용할 경우, 4ℓ + Eₜmiss의 탐지 영역은 SM 붕괴 모드의 탐지 영역과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Mₐ > 500 GeV 이며 중간-tanβ일 경우, 300 fb⁻¹ 루미너스티에서 H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰ 붕괴의 4ℓ + Eₜmiss 신호는 수십에서 수백 개의 사건을 유도할 수 있으며, 특히 M₂가 작고 |μ|가 중간일 경우에 두드러진다.
• |μ| < 400 GeV 이며 M₂가 낮거나 중간일 경우, 더 무거운 중성미온(χ̃₃⁰, χ̃₄⁰)으로의 붕괴가 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 붕괴를 초월하여 지배적이며, 일부 영역에서는 90% 이상의 기여를 한다.
• 4ℓ + Eₜmiss의 탐지 영역은 고-Mₐ, 중간-tanβ '고립 영역'으로 크게 확장되며, 이 영역에서는 SM 붕괴 모드 신호가 존재하지 않는다.
• 모든 중성미온 상태를 포함한 Set 2는 χ̃₂⁰χ̃₂⁰만 포함한 Set 1보다 훨씬 넓은 탐지 영역을 보이며, 후자는 고-Mₐ, tanβ > 5 영역의 대부분을 누락한다.
• 더 무거운 중성미온 붕괴의 포함은 캐리어 렙톤으로의 온셸 붕괴를 가능하게 하여, 렙톤 최종 상태의 분해율을 증가시킨다.
• 본 연구는 SM 붕괴와 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 모드에 국한된 탐색 전략이 MSSM 매개변수 공간의 주요 부분, 특히 M₂가 작고 |μ|가 중간일 경우를 배제하고 있음을 드러낸다.