[논문 리뷰] Production of two Higgses at the Large Hadron Collider in CP-violating MSSM

Priyotosh Bandyopadhyay, Katri Huitu|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 CP 위반 MSSM 시나리오에서 LHC에서 두 개의 힉스 보손 생성을 조사하며, 100 GeV 이하의 가벼운 잠재적으로 투명한 힉스 보손('숨겨진 힉스')의 발견 잠재력을 집중적으로 다룬다. SM 배경과 함께 PYTHIA 및 Fastjet 시뮬레이션을 사용하여, $2b+2\tau$ 최종 상태가 매우 유망한 것으로 밝혀졌으며, $\sim$10 fb$^{-1}$ 루미노시티에서 5\sigma의 의미를 가지며, 이중 렙톤 최종 상태는 가벼운 힉스 보손 질량 피크의 정밀 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Production of two Higgs bosons is studied in a CP violating supersymmetric scenario at the Large Hadron Collider with $E_{cm}=14$ TeV. There exists a region where a very light Higgs $\lesssim 50$ GeV could not be probed by LEP experiment. This leads to so called 'LEP hole' region. Recently LHC found a Higgs boson around $\sim 125$ GeV, which severely constrains the possibility of having lighter Higgs bosons, which cannot be detected, i.e., buried Higgs, in this model. We investigate the possibility of buried Higgs bosons along with the direct and indirect bounds coming from LEP, LHC and other experiments. In particular we take into account the constraints from EDM and from $B$-observables. We analyse first the case where a Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two Higgs masses are below 100 GeV and not observabed so far. In the second case the lightest Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two are decoupled. We analyse the production of two Higgses and their decay modes leading to various final states for these benchmark points. We perform a collider simulation with PYTHIA and Fastjet where we consider all the major backgrounds. Among the final states we have analysed, we find that $2b+2τ$ is promising and the signal significance is $5σ$ at an integrated luminosity $\lesssim 10$ fb$^{-1}$. For some benchmark points it is also possible to observe the light Higgs mass peak. We also explore the leptonic final state which could be instrumental in the precision measurement of a very light Higgs.

연구 동기 및 목표

• LEP에서 'LEP 구멍'으로 인해 검출되지 못한 가벼운 CP 위반 힉스 보손(즉, '숨겨진 힉스')의 발견 잠재력을 탐색하기 위해.
• EDM 및 $B$-물리 관측치로 제약을 받는 CP 위반 MSSM 프레임워크에서 LHC에서의 힉스 쌍 생성 가능성 평가를 위해.
• 가벼운 힉스 보손을 탐지하고 질량 피크를 재구성하는 데 가장 민감한 최종 상태를 규명하기 위해.
• 실제 LHC 조건과 SM 배경을 고려하여 다양한 최종 상태에서 신호의 의미를 평가하기 위해.

제안 방법

• PYTHIA 및 Fastjet을 사용하여 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 CP 위반 MSSM에서의 힉스 쌍 생성을 시뮬레이션하고, 파arton 쇼어링 및 제트 재구성에 활용한다.
• 선택 조건을 적용하여 $bb\tau\tau$, $bb\ell\ell$, $\ell\ell$, 및 $4\ell$ 최종 상태를 분리하며, 특히 $2b+2\tau$ 및 이중 렙톤 채널에 집중한다.
• 주요 SM 배경으로는 $t\bar{t}$, $VV$, $t\bar{t}Z$, $t\bar{t}W$, 및 $t\bar{t}b\bar{b}$를 포함하며, 배경 추정을 상세히 수행한다.
• 누적 루미노시티 10 fb$^{-1}$에서 이벤트 수와 배경 추정치를 사용하여 신호의 의미 계산을 수행한다.
• 특히 $m_{h_1} \sim 30$ GeV 및 $m_{h_2} \sim 95$ GeV일 경우, $bb$ 및 $\tau\tau$ 쌍의 인variant 질량 재구성을 통해 힉스 질량 피크를 식별한다.
• 특히 티타늄의 EDM, $B_s \to \gamma s$, 및 $B_s \to \mu\mu$ 붕괴를 포함한 제약 조건을 고려하여 타당한 벤치마크 포인트를 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LEP에서 검출되지 못한 가벼운 힉스 보손(100 GeV 이하)이 CP 위반 MSSM에서 LHC에서 발견될 수 있는가?
• RQ2 14 TeV 중심질량 에너지에서 LHC에서 힉스 쌍 생성에 대해 어떤 최종 상태가 가장 높은 신호의 의미를 제공하는가?
• RQ3 매우 가벼운 힉스 보손($m_{h_1} \sim 30$ GeV)의 질량 피크는 이중 렙톤 또는 $b\bar{b}\tau\tau$ 최종 상태에서 높은 의미로 재구성될 수 있는가?
• RQ4 EDM 및 희귀 $B$-붕괴 제약 조건이 CP 위반 MSSM에서 숨겨진 힉스 보손의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 다양한 최종 상태에서 가벼운 힉스 보손을 $5\sigma$의 의미로 탐지하기 위해 필요한 루미노시티는 얼마인가?

주요 결과

• $2b+2\tau$ 최종 상태는 누적 루미노시티 $\sim$10 fb$^{-1}$에서 신호의 의미가 $5\sigma$에 도달하여, 가벼운 힉스 보손을 발견하는 데 가장 유망한 채널이다.
• 이중 렙톤 최종 상태($2\ell$)는 10 fb$^{-1}$에서 벤치마크 포인트 BP2에서 $5\sigma$의 의미를 확보하였으며, BP2에서 $h_1$ 질량 피크는 $7.6\sigma$의 의미를 보였다.
• BP2에서 이중 렙톤 채널을 통해 $\sim$30 GeV 근처의 $h_1$ 질량 피크는 높은 의미($7.6\sigma$)로 재구성 가능하지만, BP3에서는 더 높은 루미노시티가 필요하다.
• $4\ell$ 최종 상태는 낮은 루미노시티에서 신호 대 배경 비율이 낮아, 조건부 창문 절단($m_{\ell\ell}$ 창문 절단)을 적용해도 전망이 제한적이다.
• 연구된 최종 상태에 대해 $H^\pm W^\mp$, $H^\pm h_i$, 및 $H^\pm H^\mp$의 배경 기여는 무시할 만큼 작다.
• 이중 렙톤 최종 상태의 신호의 의미는 BP1에서 10 fb$^{-1}$에서 $3\sigma$를 초과하여, 보다 낮은 루미노시티로도 발견 가능성을 시사한다.