[论文解读] Establishing a No-Lose Theorem for NMSSM Higgs Boson Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, John F. Gunion+1 more|ArXiv.org|Nov 14, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 28

一句话总结

本文通过证明在LHC上，若在300 fb⁻¹亮度下包含WW-融合探测模式，则在所有扫描的参数空间点上，至少一个Higgs玻色子将以≥5σ显著性被观测到，从而确立了NMSSM Higgs玻色子发现的“无损失”定理——前提是其他Higgs玻色子或超对称粒子的衰变在运动学上被禁止。即使仅非融合通道的显著性中等，WW-融合模式也能确保所有情况下的发现。

ABSTRACT

We scan the parameter space of the NMSSM for the observability of at least one Higgs boson at the LHC with $300\fbi$ integrated luminosity, taking the present LEP2 constraints into account. We restrict the scan to those regions of parameter space for which Higgs boson decays to other Higgs bosons and/or supersymmetric particles are kinematically forbidden. We find that if $WW$-fusion detection modes for a light Higgs boson are not taken into account, then there are still significant regions in the scanned portion of the NMSSM parameter space where no Higgs boson can be observed at the $5σ$ level, despite the recent improvements in ATLAS and CMS procedures and techniques and even if we combine all non-fusion discovery channels. However, if the $WW$-fusion detection modes are included using the current theoretical study estimates, then we find that for all scanned points at least one of the NMSSM Higgs bosons will be detected. If the estimated $300\fbi$ significances for ATLAS and CMS are combined, one can also achieve $5σ$ signals after combining just the non-$WW$-fusion channels signals. We present the parameters of several particularly difficult points, and discuss the complementary roles played by different modes. We conclude that the LHC will discover at least one NMSSM Higgs boson unless there are large branching ratios for decays to SUSY particles and/or to other Higgs bosons.

研究动机与目标

• 评估在真实实验条件下，NMSSM Higgs玻色子在LHC上的可探测性。
• 识别在ATLAS和CMS灵敏度提升的情况下，Higgs玻色子仍可能逃逸探测的参数空间区域。
• 评估WW-融合探测模式在确保整个NMSSM参数空间中发现Higgs玻色子方面的作用。
• 确定是否可在NMSSM中建立类似于MSSM的“无损失”Higgs发现情景。
• 研究不同Higgs探测通道之间的互补性，以克服单一模式中的抑制效应。

提出的方法

• 对NMSSM参数空间进行了全面扫描，排除了Higgs衰变为其他Higgs玻色子或超对称粒子在运动学上允许的点。
• 计算了所有主要Higgs发现通道的统计显著性（S/√B）：ggF、VBF、伴随产生（tt̄h、Vh）以及H→bb̄、ττ、WW*。
• 将当前LHC灵敏度预测下的WW-融合探测模式的理论估计值纳入显著性计算。
• 使用简单的高斯方法合并显著性，以计算每个Higgs态的总显著性。
• 分析聚焦于300 fb⁻¹亮度，与当时预期的LHC性能一致。
• 识别出在非融合模式中显著性较低的关键基准点，并进行详细分析，以检验无损失结论的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM参数空间中，是否存在仅使用非WW-融合通道在300 fb⁻¹下无法实现任何Higgs玻色子≥5σ显著性的区域？
• RQ2 当非融合通道失效时，WW-融合探测模式是否能确保所有NMSSM Higgs玻色子的5σ发现？
• RQ3 所有探测模式下可达到的最小联合显著性是多少？是否在所有情况下均超过5σ？
• RQ4 Higgs玻色子的分支比和耦合如何影响其在不同探测通道中的可探测性？
• RQ5 在与MSSM相同的假设下，是否可为NMSSM Higgs发现建立“无损失”定理？

主要发现

• 若不包含WW-融合模式，则存在参数空间区域，使得任一Higgs玻色子在任一探测通道中均无法达到≥5σ显著性。
• 即使将所有非WW-融合通道的显著性合并，最困难情况下的联合显著性也仅为4.8σ，未达到5σ。
• 然而，包含WW-融合模式后，所有扫描点在至少一个通道中均达到至少10.1σ的显著性。
• 所有模式（包括WW-融合）的联合显著性在所有点上均超过10.7σ，确保了5σ水平的发现。
• 最具挑战性的基准点（第5号点）在所有模式合并后达到18.07σ的显著性，其中WW-融合贡献了16.78σ。
• 本研究证实，只要其他Higgs玻色子或超对称粒子的分支比不显著，NMSSM Higgs玻色子在LHC上的发现是确定的。