[论文解读] Charged Higgs Bosons in the MSSM at CMS: Discovery Reach and Parameter Dependence

M. Hashemi, S. Heinemeyer+3 more|ArXiv.org|Apr 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 11

一句话总结

本文评估了在LHC上CMS实验对MSSM中带电Higgs玻色子的发现能力，结合了最新的CMS实验灵敏度与最先进的MSSM中产生和衰变的理论预测。结果表明，Higgs混合参数μ可使$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$平面上的5σ发现轮廓发生高达$\Delta\tan\beta = 40$的偏移，其中μ值较大且为负时，由于产生截面增强和对SUSY粒子的衰变被抑制，发现能力最广。

ABSTRACT

The search for MSSM Higgs bosons will be an important goal at the LHC. In order to analyze the search reach of the CMS experiment for the charged MSSM Higgs bosons, we combine the latest results for the CMS experimental sensitivities based on full simulation studies with state-of-the-art theoretical predictions of MSSM Higgs-boson production and decay properties. The experimental analyses are done assuming an integrated luminosity of 30 fb^-1 for the two cases M_H+- < m_t and M_H+- > m_t. The results are interpreted as 5 sigma discovery contours in M_H+- - tan_beta planes of the MSSM for various benchmark scenarios. We study the dependence of the 5 sigma contours on the variation of the relevant SUSY parameters. Particular emphasis is put on analyzing the variation of the discovery contours with the Higgs mixing parameter mu. The variation of mu can shift the prospective discovery reach in tan_beta by up to Delta tan_beta = 40.

研究动机与目标

• 评估SUSY参数变化（特别是Higgs混合参数μ）对LHC上MSSM中带电Higgs玻色子5σ发现能力的影响。
• 将基于30 fb⁻¹亮度的完整模拟研究所得的最新CMS实验灵敏度结果，与MSSM Higgs产生和衰变的先进理论预测相结合。
• 研究高阶修正及对SUSY粒子的衰变如何影响轻量和重量带电Higgs情景下$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$平面上的发现轮廓。
• 将新结果与CMS物理技术设计报告（PTDR）进行比较，识别由于引入更精确的理论输入（如$\Delta_b$修正和SUSY衰变）而产生的差异。

提出的方法

• 本研究基于完整模拟的CMS实验灵敏度，针对两种情形：$M_{H^\pm} < m_t$ 和 $M_{H^\pm} > m_t$，假设总积分亮度为30 fb⁻¹。
• 将这些结果与最先进的MSSM Higgs产生和衰变理论预测相结合，包括一阶圈修正和主导$\mathcal{O}(\alpha_t\alpha_s)$的二阶圈修正。
• 分析聚焦于$m_h^{\rm max}$和无混合基准情景，将Higgs混合参数μ在±200至±1000 GeV之间变化。
• 显式包含了$\Delta_b$修正，该修正影响$M_A$与$M_{H^\pm}$之间的关系，且在考虑对SUSY粒子的衰变时，$H^\pm \to \tau\nu_\tau$的分支比会降低。
• 在$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$平面上，针对不同μ值计算5σ显著性下的发现轮廓，并与CMS PTDR进行对比。
• 评估这些理论修正对轻量与重量带电Higgs搜寻区域之间差距的影响，特别是在$m_h^{\rm max}$情景下。

实验结果

研究问题

• RQ1 Higgs混合参数μ的变化如何影响LHC上MSSM中带电Higgs玻色子的5σ发现能力？
• RQ2 高阶修正（特别是$\Delta_b$）在$m_h^{\rm max}$和无混合情景下，对$M_{H^\pm}$–$\tan\beta$发现轮廓的偏移程度如何？
• RQ3 带电Higgs玻色子对SUSY粒子的衰变如何影响其对$\tau\nu_\tau$的有效分支比，从而影响实验发现潜力？
• RQ4 为何CMS分析中轻量与重量带电Higgs搜寻区域之间会出现间隙？该间隙能否通过扩展分析策略予以消除？
• RQ5 与CMS PTDR预测相比，包含改进理论输入的新结果在发现能力与轮廓形状方面有何差异？

主要发现

• Higgs混合参数μ的变化在$M_{H^\pm} \gtrsim m_t$时，可使5σ发现轮廓产生高达$\Delta\tan\beta = 40$的偏移，且在$m_h^{\rm max}$情景下效应最为显著。
• 当$M_{H^\pm} = 100$ GeV时，偏移量达$\Delta\tan\beta = 15$，且随$M_{H^\pm}$增大而增加。
• 发现区域在$\mu = -1000$ GeV时最大，在$\mu = +1000$ GeV时最小，原因在于负μ值下产生截面增强且对SUSY粒子的衰变被抑制。
• 引入$\Delta_b$修正和SUSY衰变后，轻量带电Higgs发现轮廓向更小的$M_A$值移动，并在大$\tan\beta$区域对负μ值出现“弯曲”现象。
• 轻量与重量带电Higgs发现区域之间仍存在一个小间隙，该间隙在$\mu = +1000$ GeV时最明显（约~5 GeV），在$\mu = -1000$ GeV时最小（约~5 GeV），提示若将重Higgs分析扩展至更小的$M_A$值，该间隙可能被关闭。
• μ变化的影响在无混合情景下定性相似，但效应明显弱于$m_h^{\rm max}$情景。