[論文レビュー] Implications of the ATLAS and CMS searches in the channel $pp o Higgs o τ^+τ^$ for the MSSM and SM Higgs bosons

Julien Baglio, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、LHCで$√{s} = 7$ TeVの36 pb$^{-1}$のデータを用いて、MSSMおよび標準模型ヒッグス粒子の$pp \to \text{ヒッグス} \to \tau^+\tau^-$チャンネルにおけるATLASおよびCMSの制約を再評価する。結果として、除外限界はほとんどモデルに依存せず、理論的不確実性を考慮するとわずかに緩くなる。また、インクルーシブ$gg \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルは、115–130 GeVの範囲における標準模型ヒッグスの発見に極めて有望で、未だ十分に活用されていないチャンネルであり、分析技術の向上により$H \to \gamma\gamma$チャンネルと同等の感度に達する可能性がある。

ABSTRACT

We discuss the implications of the recent constraints on the Higgs sector of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model obtained by the ATLAS and CMS collaborations at the lHC with $\sqrt s=7$ TeV and 36 pb$^{-1}$ of data. The main production and detection channel that is relevant in these analyses is the gluon--gluon and bottom quark fusion mechanisms leading to neutral Higgs bosons which subsequently decay into tau lepton pairs, $gg, b\bar b o Higgs o τ^+τ^-$. In this note, we show that: i) the exclusion limits are in fact more general than indicated by the ATLAS and CMS analyses and are essentially independent of the scenario for the supersymmetric particle spectrum; ii) when the exclusion limits are applied to the lowest theory prediction for the Higgs production cross section times branching ratio, when all theoretical uncertainties are taken into account, the bounds are somewhat less stringent; iii) the exclusion limits from the $pp o Higgs o τ^+ τ^-$ process are so strong that only a modest improvement would be possible when other MSSM Higgs detection channels are considered, even with femtobarn level accumulated data. Finally and most important, we point out that the prospects for the search for the Standard Model Higgs boson in the inclusive $gg o H o τ^+τ^-$ channel, that is not currently considered by the ATLAS and CMS collaborations, turn out to be very promising and with a few inverse femtobarn data it might provide a convincing discovery signal in the difficult 115--135 GeV mass range for the standard Higgs boson.

研究の動機と目的

• MSSMヒッグス粒子の$pp \to \text{ヒッグス} \to \tau^+\tau^-$チャンネルにおけるATLASおよびCMSの除外限界の頑健性と一般性を再評価すること。
• MSSMにおける予測されたヒッグス生成断面積と分支比の積に及ぼす理論的不確実性の影響を評価すること。
• 強い制約が$\tau^+\tau^-$チャンネルから与えられた後、他のMSSMヒッグス探索チャンネルが依然として有効であるかどうかを評価すること。
• インクルーシブ$gg \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルが、115–130 GeVの質量範囲における標準模型ヒッグスの高機能で未活用の発見チャンネルであると主張すること。

提案手法

• MSSMヒッグス粒子の$[M_A, \tan\beta]$パラメータ空間におけるATLASおよびCMSの除外限界を、$pp \to \text{ヒッグス} \to \tau^+\tau^-$チャンネルに焦点を当てて分析する。
• 超対称粒子スペクトルの影響、特にヒッグス–$b\bar{b}$ヤコビアン結合に対する放射修正の役割を検討することで、限界のモデル独立性を評価する。
• 完全な理論的不確実性（断面積および分支比にわたる）を組み込んだ最小理論的予測を用いて、除外境界を再計算する。
• 高度な再構成技術、ジェット多重度の分割、およびベクトルボソン融合や$W/Z$ボソンとの関連生成といった追加生成モードの組み込みを通じて、$gg \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルの感度向上の可能性を評価する。
• $H \to \tau^+\tau^-$チャンネルと$H \to \gamma\gamma$チャンネルの感度を比較し、前者は後者に比べてわずかに2倍程度感度が低いが、大幅に向上可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSの$pp \to \text{ヒッグス} \to \tau^+\tau^-$チャンネルにおける除外限界は、異なるMSSMスペクトルにおいて真にモデルに依存しないのか？
• RQ2 ヒッグス生成断面積および分支比の理論的不確実性が、$[M_A, \tan\beta]$平面における導出された除外境界に及ぼす影響は何か？
• RQ3 インクルーシブ$gg \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルは、115–130 GeVの範囲における標準模型ヒッグスの競争力のある発見チャンネルとなり得るか？
• RQ4 実験的および理論的改善を通じて、$H \to \tau^+\tau^-$チャンネルの感度にどの程度の向上が可能か？
• RQ5 強い制約が$\tau^+\tau^-$チャンネルから与えられた後、他のMSSMヒッグス探索チャンネルはどの程度依然として関連性を持つのか？

主な発見

• ATLASおよびCMSの$[M_A, \tan\beta]$平面における除外限界は、ヒッグス–$b\bar{b}$ヤコビアン結合に対する放射修正が生成断面積と分支比の積において相殺されるため、ほとんどモデルに依存しない。
• 理論的不確実性を適切に考慮すると、$\tan\beta$の除外範囲はわずかに縮小され、$100 \leq M_A \leq 200$ GeVでは$\tan\beta \gtrsim 30$–50が除外されるにとどまる。
• 1–3 fb$^{-1}$のデータがあれば、$pp \to \text{ヒッグス} \to \tau^+\tau^-$の限界は非常に強く、他のMSSMヒッグスチャンネルは発見可能性にほとんど寄与しない。
• インクルーシブ$gg \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルは、115–130 GeVの範囲における標準模型ヒッグスの発見に極めて有望なチャンネルであり、感度は$H \to \gamma\gamma$チャンネルに比べてわずかに2倍程度低い。
• $H \to \tau^+\tau^-$チャンネルの感度は、改善された質量再構成技術、ジェット多重度解析、およびベクトルボソン融合や関連生成の寄与を組み込むことで顕著に向上し、インクリューシブ断面積は15–20%増加する。
• 著者らは、ATLASおよびCMS共同作業チームに対し、115–130 GeVの質量窓において標準模型ヒッグスの主要な発見チャンネルとして$pp \to H \to \tau^+\tau^-$チャンネルを優先的に検討するよう要請している。