[论文解读] ATLAS discovery potential for a heavy charged Higgs boson

K. Assamagan, Y. Coadou+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文评估了大型强子对撞机（LHC）上ATLAS探测器对重色荷希格斯玻色子（$H^\pm$）的灵敏度，重点关注在200–600 GeV质量范围内，低和高$\tan\beta$区域中$H^\pm \to tb$和$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$衰变道作为发现的最有利通道。结果表明，在300 fb$^{-1}$亮度下，$tb$通道中可实现高达约400 GeV的$5\sigma$发现，$\tau\nu$通道中可实现高达约600 GeV的$5\sigma$发现，质量与$\tan\beta$的测量精度分别达到0.5–1.8%和5.4–7.4%。

ABSTRACT

The sensitivity of the ATLAS detector to the discovery of a heavy charged Higgs boson is presented. Assuming a heavy SUSY spectrum, the most promising channels above the top quark mass are $H^\pm o tb$ and $H^\pm oτ^\pmν_τ$ which provide coverage in the low and high $ anβ$ regions up to $\sim 600$ GeV. The achievable precisions on the charged Higgs mass and $ anβ$ determination are also discussed. The $H^\pm o W^\pm h^0$ channel, though restricted to a small MSSM parameter space, shows a viable signal in NMSSM where the parameter space is less constrained. The observation of the channel $H^- oτ^-_Lν_τ+ c.c.$ may constitute a distinctive evidence for models with singlet neutrinos in large extra dimensions.

研究动机与目标

• 评估在标准模型之外的扩展希格斯结构背景下，ATLAS探测器对重色荷希格斯玻色子（$H^\pm$）的发现潜力。
• 识别在不同$\tan\beta$和质量区域中，$H^\pm$探测最敏感的衰变道。
• 评估通过信号重建和运动学分布测量，对带电希格斯玻色子质量与$\tan\beta$参数的测量精度。
• 探讨在NMSSM中$H^\pm \to Wh^0$通道的可行性，其中LEP对$h^0$的约束被放宽。
• 研究$H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$作为大额外维中具有单态中微子模型的特征信号的可能性。

提出的方法

• 通过胶子融合（$gg \to tbH^\pm$）和与顶夸克的关联产生模拟$H^\pm$，考虑探测器层面效应。
• 利用不变质量与横动量重建技术分析$H^\pm \to tb$和$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$衰变道，以区分信号与背景。
• 应用运动学截断以抑制$t\bar{t}b\bar{b}$和$gg \to t\bar{t}b\bar{b}$背景，利用$b$-喷注能量与共线性差异。
• 通过$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$衰变速率确定$\tan\beta$，假设亮度系统误差为10%。
• 评估在NMSSM中$H^\pm \to Wh^0$的可行性，其中$h^0$可更轻且受约束更小，相较于MSSM。
• 在$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$通道中引入$\tau$自旋极化效应，以增强低质量区域的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同$\tan\beta$值和质量范围（高达600 GeV）下，ATLAS探测器在$H^\pm \to tb$衰变道中对重色荷希格斯玻色子的发现能力如何？
• RQ2 在300 fb$^{-1}$亮度下，$H^\pm \to tb$和$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$通道中，带电希格斯玻色子质量的重建精度如何？
• RQ3 与MSSM参数空间相比，$H^\pm \to Wh^0$通道在NMSSM中作为可行发现通道的潜力有多大？
• RQ4 $H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$衰变模式是否可作为大额外维中具有单态中微子模型的特征信号？
• RQ5 通过$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$衰变速率确定$\tan\beta$的精度可达多少？该精度如何随$\tan\beta$变化？

主要发现

• $H^\pm \to tb$通道在低和高$\tan\beta$区域中，均可实现高达约400 GeV的$5\sigma$发现潜力。
• $H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$通道将发现能力扩展至约600 GeV，尤其在高$\tan\beta$情形下表现更优。
• 在~200 GeV处，带电希格斯玻色子质量的测量精度可达0.5%，在~500 GeV处为1.8%，统计不确定性主导了不变质量或横动量分布。
• 在$\tan\beta = 50$时，$\tan\beta$参数的测量精度为5.4%，在$\tan\beta = 20$时为7.4%，假设亮度系统误差为10%且亮度为300 fb$^{-1}$。
• $H^\pm \to Wh^0$通道在NMSSM中展现出可行的发现潜力，其中LEP对$h^0$的约束被放宽，从而可进入此前被排除的参数区域。
• 若观测到$H^- \to \tau^-_L\nu_\tau + c.c.$衰变并结合$\tau$极化测量，将为大额外维中具有单态中微子的模型提供独特证据。