[论文解读] Characterizing simplified models for heavy Higgs decays to supersymmetric particles

Suchita Kulkarni, L. Lechner|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 117被引用 4

一句话总结

该论文利用SModelS框架，在现象学MSSM（pMSSM）中对重希格斯玻色子衰变为超对称粒子的衰变模式进行分类，发现选择玻色子（X = h, W, Z）末态在近似费米子和希格斯ino型LSP中占主导地位，其截面在14 TeV下最高可达10 fb。此外，该研究揭示了在近似Wino型LSP情景下存在位移顶点信号，其截面高达约80 fb，强调了在高亮度LHC中，为全面探测pMSSM参数空间，需开展超越标准模型末态的共振搜索。

ABSTRACT

The search for heavy Higgs bosons is an important step to probe the parameter space of the Minimal Supersymmetric Standard Model. In this work, we classify all possible decay modes of the supersymmetric heavy Higgs boson using the SModelS framework. We work within the phenomenological MSSM and use the ATLAS pMSSM study as our viable parameter space. We find that for a bino-like and higgsino-like LSP, a significant region of the parameter space results in mono-$X$ ($X$ = $h$, $W$, $Z$) final states. For wino-like LSPs, we demonstrate the existence of displaced vertex signatures with a large signal cross section. Finally, we argue that by covering the mono-$X$ final states, a large part of heavy Higgs decays can be tested at the LHC.

研究动机与目标

• 系统分类在现象学MSSM（pMSSM）中重希格斯玻色子衰变为超对称粒子的衰变模式。
• 在重希格斯玻色子衰变为超对称末态时，识别LHC中占主导地位的信号，特别是在BSM粒子分支比较大的区域。
• 评估单X（X = h, W, Z）和位移顶点信号在利用当前及未来LHC数据探测pMSSM参数空间方面的可行性。
• 评估基于标准模型的希格斯玻色子搜索在BSM衰变占主导时，覆盖完整pMSSM参数空间的局限性。
• 展示SModelS框架在分类重希格斯玻色子衰变为超对称粒子的共振衰变中的有效性。

提出的方法

• 利用SModelS框架，基于Z2对称性，将复杂的pMSSM情景分解为简化模型拓扑结构。
• 应用ATLAS pMSSM研究，定义可用于分析的可行且实验约束的参数空间。
• 分析重CP偶性希格斯玻色子（H）衰变为中性ino/带电ino对的分支比，随后衰变为LSP及规范玻色子或希格斯玻色子。
• 计算pp → H通过胶子融合和底夸克湮灭的产生截面，随后衰变为SUSY粒子。
• 评估包括单 jets、单玻色子（单-h、单-W、单-Z）以及特别针对Wino型LSP的位移顶点在内的信号特征。
• 在19维的pMSSM参数空间中进行统计调查，以识别在√s = 14 TeV下的主导拓扑结构及其截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在pMSSM中，哪些简化模型拓扑结构主导了重希格斯玻色子衰变为超对称粒子？
• RQ2 在可行的pMSSM参数空间中，不同LSP类型（近似费米子、Wino、希格斯ino型）的主导末态（如单X、位移顶点）是什么？
• RQ3 在高亮度LHC中，这些主导信号的产生和衰变截面有多大？
• RQ4 当BSM衰变占主导时，当前基于标准模型的希格斯玻色子搜索在多大程度上无法覆盖完整的pMSSM参数空间？
• RQ5 SModelS框架能否有效扩展以分类重希格斯玻色子衰变为超对称末态的共振衰变？

主要发现

• 对于近似费米子和希格斯ino型LSP，单X（X = h, W, Z）末态占主导，其产生截面在√s = 14 TeV下最高可达10 fb。
• 在Wino型LSP情景中，由于轻带电ino与LSP之间质量差较小（Δm < 5 GeV），出现位移顶点信号，其信号截面最高可达80 fb。
• 重希格斯玻色子的主要产生模式为底夸克湮灭（ttH），占所分析pMSSM参数空间的约98%，导致单X末态中伴随产生b-jets。
• 长级联衰变信号可忽略不计，表明重希格斯玻色子衰变为超对称粒子主要产生简单且即时衰变的拓扑结构。
• 直接基于标准模型的希格斯玻色子搜索不足以探测完整的pMSSM参数空间，尤其在BSM分支比较大的区域。
• 本研究表明，若能覆盖单X末态，将可对LHC中重希格斯玻色子衰变为SUSY粒子的大部分情况进行测试。