[论文解读] Fully covering the MSSM Higgs sector at the LHC

A. Djouadi, Luciano Maiani+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 27

一句话总结

本文表明，通过结合重希格斯玻色子 $H/A$ 的胶子融合产生过程与它们衰变为顶夸克对 ($t\bar{t}$) 的过程，可以完全探测 MSSM 希格斯扇区的完整参数空间，特别是具有挑战性的低-$\tan\beta$ 和高-$M_A$ 区域。$gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道被证明是覆盖剩余未探索区域的关键，使得在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下，300 fb$^{-1}$ 的数据量可实现高达 $M_A \approx 600$ GeV 的探测范围，而在高亮度运行下，3000 fb$^{-1}$ 的数据量可将探测范围扩展至 $M_A \approx$ 1 TeV。

ABSTRACT

In the context of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM), we reanalyze the search for the heavier CP-even $H$ and CP-odd $A$ neutral Higgs bosons at the LHC in their production in the gluon-fusion mechanism and their decays into gauge and lighter $h$ bosons and into top quark pairs. We show that only when considering these processes, that one can fully cover the entire parameter space of the Higgs sector of the model. Indeed, they are sensitive to the low $ anβ$ and high Higgs mass ranges, complementing the traditional searches for high mass resonances decaying into $τ$-lepton pairs which are instead sensitive to the large and moderate $ anβ$ regions. The complementarity of the various channels in the probing of the complete $[ anβ, M_A]$ MSSM parameter space at the previous and upcoming phases of the LHC is illustrated in a recently proposed simple and model independent approach for the Higgs sector, the $h$MSSM, that we also refine in this paper.

研究动机与目标

• 识别并分析尚未充分探索的搜索通道，以实现对 MSSM 希格斯扇区 $[\tan\beta, M_A]$ 参数空间的全面覆盖。
• 解决在低 $\tan\beta$ 和高 $M_A$ 值下传统 $\tau\tau$ 和 $b\bar{b}$ 衰变搜索手段灵敏度不足的问题。
• 证明 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道在低 $\tan\beta$ 条件下，特别是超过 $t\bar{t}$ 阈值时，作为 MSSM 希格斯扇区关键探测手段的可行性。
• 改进 $h$ MSSM 框架，以实现对模型无关、覆盖整个参数空间的希格斯扇区分析，同时整合费米子衰变和玻色子衰变模式。

提出的方法

• 该研究采用 $h$ MSSM 框架，该框架以 $\tan\beta$ 和 $M_A$ 作为输入参数来参数化 MSSM 希格斯扇区，同时将 $M_h \approx 125$ GeV 作为固定约束条件。
• 分析通过顶夸克圈图实现的胶子融合产生机制 $gg \to H/A$，该过程在低 $\tan\beta$ 条件下仍具有显著性，原因在于顶夸克与希格斯粒子之间存在强耦合。
• 评估在高 $M_A$ 和低 $\tan\beta$ 条件下，$H/A \to t\bar{t}$ 衰变占主导地位，抑制其他衰变模式，从而使该通道成为主要探测手段。
• 利用 $\sqrt{s} = 8$ TeV 时 ATLAS 和 CMS 对顶夸克对共振态的现有分析结果，估算 $H/A \to t\bar{t}$ 的信号显著性，并外推至 $\sqrt{s} = 14$ TeV。
• 将 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道与已建立的 $pp \to H/A \to \tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$ 和 $hZ$ 衰变模式相结合，以实现全面覆盖。
• 考虑希格斯信号与 QCD $t\bar{t}$ 背景之间的干涉效应，指出在不变质量分布中存在复杂的峰-谷结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道有效探测传统 $\tau\tau$ 和 $b\bar{b}$ 衰变搜索尚未覆盖的 MSSM 希格斯扇区低-$\tan\beta$ 和高-$M_A$ 区域？
• RQ2 尽管存在较大的 QCD 背景，$gg \to H/A \to t\bar{t}$ 过程在多大程度上可作为发现 MSSM 中重希格斯玻色子的可行且灵敏的探测通道？
• RQ3 在高亮度 LHC 运行条件下，$\sqrt{s} = 14$ TeV 且数据量为 300 fb$^{-1}$ 时，$gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道在 $M_A$ 和 $\tan\beta$ 方向上的预期探测范围是多少？
• RQ4 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道如何与现有的 $\tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$ 和 $hZ$ 衰变模式的搜索结果互补，以实现对 $[\tan\beta, M_A]$ 平面的全面覆盖？
• RQ5 希格斯信号与 QCD $t\bar{t}$ 背景之间的干涉效应对 $H/A \to t\bar{t}$ 信号在 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道中的可观测性有何影响？

主要发现

• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道能够探测传统 $\tau\tau$ 和 $b\bar{b}$ 衰变搜索无法触及的 MSSM 希格斯扇区低-$\tan\beta$ 和高-$M_A$ 区域。
• 在 $\sqrt{s} = 8$ TeV 下，仅使用 25 fb$^{-1}$ 数据时，$pp \to H/A \to t\bar{t}$ 通道可将 $\tan\beta \lesssim 4$（2）的范围排除至 $M_A \approx 250$（350）GeV。
• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 和 300 fb$^{-1}$ 数据量下，仅靠 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道即可将探测范围扩展至 $M_A \approx 600$ GeV，且对任意 $\tan\beta$ 值均有效。
• 在高亮度运行下，若数据量达到 3000 fb$^{-1}$，则 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道可实现对整个 MSSM 参数空间的覆盖，探测上限可达 $M_A \approx$ 1 TeV。
• $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 过程与 QCD $t\bar{t}$ 背景之间表现出复杂的干涉模式，在不变质量分布中形成峰-谷结构，有助于信号识别。
• 将 $gg \to H/A \to t\bar{t}$ 通道与现有的费米子衰变和玻色子衰变通道相结合，可确保在 LHC 上对 MSSM 希格斯扇区 $[\tan\beta, M_A]$ 平面实现完全覆盖。