[论文解读] Closing the Wedge with 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 at the LHC: A Snowmass White Paper

Ian Lewis|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文利用300 fb⁻¹和3000 fb⁻¹的积分 luminosity，投影了LHC对MSSM中重的中性Higgs玻色子的敏感度，重点研究τ⁺τ⁻和hZ衰变道。结果表明，在3000 fb⁻¹下，ATLAS和CMS可分别排除M_A < 360–390 GeV和M_A < 410–460 GeV的范围，对应于m_h^max情景，显著缩小了MSSM Higgs扇区的剩余参数空间。

ABSTRACT

The discovery of a Higgs boson at the LHC begins the era of directly measuring the mechanism of electroweak symmetry breaking (EWSB). Searching for extensions of the Standard Model (SM) EWSB sector at the LHC is of vital importance. An important extension of the SM with an extended EWSB sector is the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). In this white paper, we extend current ATLAS and CMS bounds on direct searches for the heavy MSSM neutral Higgs bosons to 300 fb^-1 and 3000 fb^-1 of data at the LHC. In particular we focus on the τ^+τ^- channel and the pseudoscalar decay to light Higgs boson and Z, with additional discussion on how to further close the wedge.

研究动机与目标

• 将当前LHC对重的MSSM Higgs玻色子（H和A）的限制扩展至300 fb⁻¹和3000 fb⁻¹的数据。
• 评估H/A → τ⁺τ⁻衰变道在不同MSSM基准情景下的发现潜力。
• 评估LHC对低tanβ下A → hZ衰变模式的敏感度，利用现有的Vh搜索限制。
• 探索将M₂提升至2 TeV如何增强τ⁺τ⁻分支比，并改善H/A → τ⁺τ⁻道的探测能力。
• 识别关键衰变道和 luminosity 阈值，以关闭MSSM参数空间中剩余的“楔形区域”。

提出的方法

• 通过FeynHiggs程序提供的MSSM Higgs玻色子的理论产生截面和分支比，外推当前ATLAS和CMS的直接搜索限制。
• 通过MSSM与SM部分宽度之比，缩放SM Higgs产生率（胶子融合和b̄b湮灭），以计算H和A的产生截面。
• 使用NNLO QCD计算（通过bbh@nnlo程序）改进底夸克融合过程b̄b → h的精度。
• 利用FeynHiggs程序评估分支比和衰变宽度，输入参数来自m_h^max、m_h^mod+和m_h^mod−基准情景。
• 重新评估现有的Vh（V = W/Z）搜索限制，作为低tanβ下A → hZ速率的代理，假设SM Vh速率为上限。
• 基于300 fb⁻¹和3000 fb⁻¹下预期的统计显著性与信号对背景比，投影H/A → τ⁺τ⁻和A → hZ道的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在300 fb⁻¹和3000 fb⁻¹下，重的MSSM Higgs玻色子H和A在τ⁺τ⁻末态中的投影排除范围是多少？
• RQ2 提高chargino/neutralino质量标度（M₂）如何影响H和A到τ⁺τ⁻的分支比，以及由此带来的发现能力？
• RQ3 在多大程度上可以利用现有的Vh搜索限制来约束低tanβ下的A → hZ衰变模式？
• RQ4 在3000 fb⁻¹下，LHC对A → hZ道的敏感度如何？其对tanβ和M₂的依赖性如何？
• RQ5 在3000 fb⁻¹数据后，M_A–tanβ平面的哪些区域仍保持MSSM参数空间的可行性？如何关闭剩余的“楔形区域”？

主要发现

• 在3000 fb⁻¹下，ATLAS可在m_h^max情景（M_SUSY = 1 TeV）中排除H/A → τ⁺τ⁻道的M_A < 360–390 GeV，CMS可排除M_A < 410–460 GeV。
• 当M₂ = 2 TeV时，H和A到τ⁺τ⁻的分支比因SUSY衰变模式的抑制而增加，从而增强了τ⁺τ⁻道的探测敏感度。
• 在低tanβ（≤ 3–4）下，A → hZ衰变模式变得可探测，且在3000 fb⁻¹下，当M₂ = 2 TeV时，LHC可探测至tanβ ≈ 5。
• 当前在4.7–19 fb⁻¹下ATLAS和CMS的Vh搜索限制可解释为对A → hZ总速率的限制，从而在低tanβ下实现对该道的探测敏感度。
• m_h^mod±基准情景在3 GeV内重现了测量的Higgs质量（125.5 GeV），且与M_h = 125.5 GeV一致的参数空间区域几乎填满了m_h^max区域。
• 当M_A > 350 GeV时，t̄t衰变模式占主导，降低了τ⁺τ⁻道的探测范围，但3000 fb⁻¹下的投影排除限仍显著改善。