[论文解读] Closing the Window on Light Charged Higgs Bosons in the NMSSM

Johan Rathsman, Thomas Rößler|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文研究了在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中，轻带电Higgs玻色子（$h^\pm$）的发现潜力，当其主要衰变为轻量CP-odd Higgs（$a_1$）与W玻色子时（$m_{h^\pm} < m_t$）。利用LHC上20 fb$^{-1}$的亮度进行$t\bar{t}$产生过程，研究显示，若$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$的分支比超过约1%，则该情形可被发现，前提是$a_1$衰变为单个$b\bar{b}$喷注，且W玻色子为轻子衰变。

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal SuperSymmetric Model (NMSSM) the lightest CP-odd Higgs bosons (a1) can be very light. As a consequence, in addition to the standard charged Higgs boson (h+) decays considered in the MSSM for a light charged Higgs (m_h+ &lt; m_t), the branching fraction for h+ to a1 W can be dominant. We investigate how this signal can be searched for in t tbar production at the Large Hadron Collider (LHC) in the case that m_a1 \gtrsim 2m_B with the a1 giving rise to a single b bbar-jet and discuss to what extent the LHC experiments are able to discover such a scenario with an integrated luminosity \sim 20 fb-1. We also discuss the implications of the possible Higgs-signal observed at the LHC.

研究动机与目标

• 评估在NMSSM中，当其主要衰变模式为$h^\pm \to a_1 W$时，探测轻带电Higgs玻色子的可行性。
• 评估LHC在使用20 fb⁻¹积分亮度的$t\bar{t}$产生过程中对该衰变道的灵敏度。
• 确定该情形是否与在约125 GeV处观测到的Higgs样信号相容。
• 考察来自$B$衰变和直接搜寻的实验约束对允许参数空间的影响。

提出的方法

• 在LHC上模拟$t\bar{t}$产生过程，重点关注衰变链$t \to b h^+ \to b a_1 W$，其中$a_1 \to b\bar{b}$且$W \to \ell\!\!\!\!\!\!\!\!- \(\nu_\ell$。
• 利用缺失横向动量重建W玻色子的四维动量，并将其与$a_1$喷注结合，形成$m_{h^\pm}$的质量峰。
• 应用标准喷注寻找算法和$b$-标签技术，识别来自顶夸克和$a_1$衰变的$b$-喷注。
• 进行背景分析，强调不可约背景$t\bar{t}b\bar{b}$过程，以及普通喷注被误标为$b$-喷注的潜在影响。
• 施加来自$B_{u} \to \tau\nu_\tau$和$B_s \to \mu^+\mu^-$衰变的约束，这些约束虽依赖于模型但具有重要意义。
• 评估与LHC观测到的125 GeV Higgs信号的相容性，特别是关于$h_{\text{SM}} \to \gamma\gamma$衰变率。

实验结果

研究问题

• RQ1 当主要衰变模式为$h^\pm \to a_1 W$时，LHC能否在NMSSM中发现轻带电Higgs玻色子？
• RQ2 在20 fb⁻¹亮度下，使$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$衰变链可探测的最小分支比是多少？
• RQ3 来自$B$物理衰变的间接约束如何影响轻量$a_1$的允许参数空间？
• RQ4 从$\gamma\gamma$产生率角度看，$h^\pm \to a_1 W$衰变模式是否与观测到的125 GeV Higgs信号相容？
• RQ5 在标准QCD背景存在的情况下，$a_1$共振是否可被重建为单个$b\bar{b}$喷注？

主要发现

• 在20 fb⁻¹积分亮度下，若衰变链$t \to b h^+ \to b a_1 W \to b b\bar{b} W$的联合分支比超过约1%，LHC可发现NMSSM中的轻带电Higgs玻色子。
• $a_1$玻色子在超过$b\bar{b}$阈值时，可被重建为单个$b\bar{b}$喷注，从而通过缺失横向能量获得的W玻色子动量实现质量重建。
• 主要不可约背景为$t\bar{t}b\bar{b}$产生，但喷注被误标为$b$-喷注构成重大挑战。
• 即使在包含来自$B_{u} \to \tau\nu_\tau$和$B_s \to \mu^+\mu^-$的约束后，仍存在可行的参数空间，对应$\tan\beta \in [1,10]$，使得$h^\pm \to a_1 W$成为主导衰变模式。
• 难以将轻量且强耦合的$a_1$与观测到的125 GeV Higgs信号在$\gamma\gamma$衰变中相容，因为这将需要精细调节耦合以避免$R_{gg\gamma\gamma}^{h_i}$过大。
• 本研究结论为，无论125 GeV信号是否最终被确认，LHC要么应发现此类轻带电Higgs，要么对其存在施加极为严格的限制。