[논문 리뷰] Summary of the CMS Discovery Potential for the MSSM SUSY Higgses

D. Denegri, V. Drollinger외 7명|ArXiv.org|2001. 12. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 세부적인 검출기 시뮬레이션을 사용하여 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 힉스 보손의 CMS 실험 발견 가능성을 평가한다. 30 fb$^{-1}$에서 경량 힉스 보손에 대해 $h\to\gamma\gamma$와 $h\to b\bar{b}$가 가장 효과적인 것으로 밝혀졌으며, 무거운 힉스 보손에 대해서는 $A,H\to\tau\tau$와 $H^{\pm}\to\tau\nu$가 가장 넓은 탐색 범위를 제공한다. 또한, 스퍼파트클이 가벼울 경우 낮은 $\tan\beta$에서 $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 채널이 중요한 보완성을 제공한다.

ABSTRACT

This work summarises the present understanding of the expected MSSM SUSY Higgs reach for CMS. Many of the studies presented here result from detailed detector simulations incorporating final CMS detector design and response. With 30 fb-1 the h -> gamma,gamma and h -> bb channels allow to cover most of the MSSM parameter space. For the massive A,H,H+ MSSM Higgs states the channels A,H -> tau,tau and H+ -> tau,nu turn out to be the most profitable ones in terms of mass reach and parameter space coverage. Consequently CMS has made a big effort to trigger efficiently on taus. Provided neutralinos and sleptons are not too heavy, there is an interesting complementarity in the reaches for A,H -> tau,tau and A,H -> chi,chi.

연구 동기 및 목표

• 다양한 붕괴 채널을 통해 MSSM 힉스 보손에 대한 CMS 검출기의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 특히 고 $\tan\beta$ 및 무거운 힉스 상태에서 전체 MSSM 매개변수 공간을 커버하는 데 가장 민감한 최종 상태를 규명하기 위해.
• 표준모형 붕괴 모드와 중성이노 및 루프톤으로의 비가시 붕괴 간의 보완성을 평가하기 위해.
• $\tau$ 렙톤과 미량 에너지에 대한 트리거 및 재구성 전략을 안내하기 위해.
• CMS 검출기 설계의 진화에 따라 향후 전면 시뮬레이션 연구의 기준이 되는 것을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이벤트 생성에 PYTHIA 5.7과 6.1을 사용하였으며, 이중 고리/적분 방정식 기반의 힉스 질량 및 결합 계산을 적용하였다.
• 편극된 $\tau$ 붕괴 시뮬레이션을 위해 TAUOLA를 사용하였고, 횡단면 및 분포비 정규화를 위해 HDECAY를 활용하였다.
• CMSJET을 사용한 빠른 시뮬레이션을 수행하였으며, 주요 검출기 효과에 대해 전면 GEANT 기반 시뮬레이션(CMSIM, ORCA)으로 검증하였다.
• 핵심 채널에 집중: $h\to\gamma\gamma$, $h\to b\bar{b}$, $A,H\to\mu\mu$, $A,H\to\tau\tau$(2-레프톤, 렙톤+제트, 2-제트 최종 상태 포함), $H^{\pm}\to\tau\nu$, $H^{\pm}\to tb$, 및 $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$.
• 30 fb$^{-1}$ 및 100 fb$^{-1}$ 통합 루미너스를 사용하여 $m_A$–$\tan\beta$ 평면에서의 발견 가능성을 정량화하였다.
• 배경 수준과 검출기 성능을 평가하였으며, 특히 $\tau$-태깅, b-태깅, 제트 해상도 및 미량 운동량 에너지에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 30 fb$^{-1}$에서 CMS 검출기에서 MSSM 힉스 보손의 가장 넓은 발견 가능성을 제공하는 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ2 특히 2-$\tau$-제트 채널에서 $\tau\tau$ 최종 상태는 어떻게 질량 해상도와 무거운 힉스 보손의 탐색 범위를 향상시키는가?
• RQ3 어떤 매개변수 영역에서 $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 채널이 표준모형 붕괴와 보완적인 발견 가능성을 제공하는가?
• RQ4 $H^{\pm}\to\tau\nu$와 $H^{\pm}\to tb$ 채널은 충전 힉스 탐색에서 어떻게 감도를 비교할 수 있는가?
• RQ5 $h\to\gamma\gamma$와 $h\to b\bar{b}$는 MSSM 매개변수 공간을 어느 정도 커버하는가? 30 fb$^{-1}$에서 남아 있는 갭은 어디인가?

주요 결과

• 30 fb$^{-1}$에서 $h\to\gamma\gamma$와 $h\to b\bar{b}$는 대부분의 MSSM 매개변수 공간을 커버하며, 특히 혼합이 없는 경우에 특히 그렇다.
• 무거운 중성 힉스 보손($A$, $H$)에 대해 $A,H\to\tau\tau$ 채널에서 2-$\tau$-제트 최종 상태가 가장 우수한 질량 해상도(~14%)를 제공하며 고질량 영역까지의 탐색 범위를 확장한다.
• 스퍼파트클이 가벼울 경우 낮은 $\tan\beta$ 영역에서 $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 채널이 중요한 보완성을 제공하며, 깔끔한 렙톤 서명으로 배경를 감소시킨다.
• $gb\to tH^{\pm}$ 이벤트에서의 $H^{\pm}\to\tau\nu$ 붕괴는 높은 신호 대 배경 비율로 인해 충전 힉스 발견에 가장 유리한 채널이다.
• 최대 스토퍼 혼합 영역에서 $m_A \sim 120$ GeV 및 $\tan\beta \sim 5$ 근처에 작은 탐색되지 않은 영역이 남아 있으며, 이는 60 fb$^{-1}$에서 닫히게 된다.
• 미래 연구에서 $qq\to qqH$를 통한 약한 보손 융합과 $H\to\tau\tau$, $H\to\gamma\gamma$ 채널의 조합이 전체 MSSM 매개변수 공간을 커버할 수 있을 것으로 기대되나, 이를 확인하기 위해 전면 시뮬레이션 필요하다.