[论文解读] BSM Higgs Studies at the LHC in the Forward Proton Mode

S. Heinemeyer, V. A. Khoze+3 more|ArXiv.org|Sep 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文利用前向质子探测器，在LHC上研究了BSM希格斯玻色子的中心电荷弹性（CED）产生，实现了高分辨率质量测量和精确的耦合测定。结果表明，CED对MSSM和第四代希格斯玻色子具有强敏感性，尤其在$b\bar{b}$和$\tau^+\tau^-$衰变道中表现突出，可在LEP和Tevatron搜索排除的质量区域实现发现潜力。

ABSTRACT

The prospects for central exclusive diffractive (CED) production of BSM Higgs bosons at the LHC are reviewed. This comprises the production of MSSM and 4th generation Higgs bosons. The sensitivity of the searches in the forward proton mode for the Higgs bosons as well as the possibility of a coupling structure determination are briefly discussed.

研究动机与目标

• 评估利用前向质子探测器在LHC上通过中心电荷弹性（CED）产生探测BSM希格斯玻色子的可行性。
• 评估CED搜索对MSSM希格斯玻色子的敏感性，特别是在标准模型（SM）希格斯玻色子被LEP和Tevatron约束排除的质量区域。
• 研究CED产生在探测第四代希格斯模型（SM4）中的潜力，其中希格斯玻色子与胶子的耦合增强9倍。
• 确定通过独态产生测量希格斯玻色子量子数和Yukawa耦合（特别是底夸克）的前景。
• 利用更新的理论输入（包括更新的希格斯宽度计算和背景评估）更新先前的CED研究。

提出的方法

• 采用中心电荷弹性（CED）产生过程$pp \to p \oplus H \oplus p$，其中中心态$H$在大快速度间隙下产生，且前向质子探测器中探测到完整质子。
• 应用$J_z = 0$、${\cal CP}$-偶选择规则，确保量子数的清晰确定，偏好$0^+$态。
• 使用改进的FeynHiggs代码精确计算MSSM希格斯分支比和部分宽度，包含高阶修正。
• 利用参考文献[19, 20]提供的更新理论估计评估背景贡献，以提高信号显著性预测精度。
• 使用HiggsBounds [23]确定来自LEP和Tevatron希格斯搜索的排除限值，定义后续研究的允许质量区域。
• 在不同亮度情景（60、600 fb$^{-1}$，以及有效亮度加倍）下，对$H \to b\bar{b}$和$H \to \tau^+\tau^-$衰变道进行显著性计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$M_h^{\rm max}$基准情景下，前向质子探测对MSSM希格斯玻色子的敏感性如何，特别是在LEP和Tevatron排除的质量区域？
• RQ2 LHC上的CED产生能否以高精度解析希格斯耦合结构，特别是底夸克Yukawa耦合？
• RQ3 SM4模型中增强的胶子耦合如何影响CED通道中希格斯玻色子的发现潜力？
• RQ4 在$H \to b\bar{b}$和$H \to \tau^+\tau^-$衰变模式下，实现SM4希格斯玻色子显著发现所需的亮度要求是什么？
• RQ5 在LEP和Tevatron排除的$112-145$ GeV窗口之外，CED产生在哪些质量范围内仍适用于SM4希格斯玻色子的探测？

主要发现

• CED的$H \to b\bar{b}$通道对MSSM希格斯玻色子具有强大的发现潜力，其可探测质量上限远高于标准模型，尤其在$\tan\beta$较大且$M_A$较小时更为显著。
• 对于SM4模型，$112\,\text{GeV} \lesssim M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$的质量窗口未被LEP和Tevatron排除，使其成为CED研究的优先目标。
• 在SM4中，$H \to b\bar{b}$通道在$60\,\text{fb}^{-1}$有效亮度下即可实现超过$5\sigma$的显著性，适用于$M_{H^{\rm SM4}} \lesssim 145\,\text{GeV}$，表明即使在低亮度下也具有极高敏感性。
• SM4中$H \to \tau^+\tau^-$通道需更高亮度（$600\,\text{fb}^{-1}$）才能达到$5\sigma$显著性，但在高亮度情景下仍具可行性。
• 对于$M_{H^{\rm SM4}} \gtrsim 220\,\text{GeV}$，$H \to WW, ZZ$衰变模式可能具备发现潜力，尽管目前尚未开展相关分析。
• CED产生由于质子能量损失与中心态质量之间存在直接关系，可实现优异的质量分辨率，且与衰变道无关。