[论文解读] Higgs Production in Neutralino Decays in the MSSM - The LHC and a Future e+e- Collider

Etera R. Livine, M. Battaglia+1 more|INRIA a CCSD electronic archive server|Dec 31, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 13

一句话总结

本文研究了在唯象MSSM（pMSSM）中通过中性ino衰变产生的Higgs玻色子，表明在非约束MSSM情景下，$χ_2^0, χ_3^0 \to hχ_1^0$ 衰变是SUSY衰变链中Higgs玻色子的主要来源。利用 $2\times10^8$ 个pMSSM点并对比CMSSM模型，研究显示LHC在13–14 TeV能量下可探测超过一半的相关参数空间，而未来 $e^+e^-$ 对撞机在 $\sqrt{s} \geq 1$ TeV条件下可实现约5%精度的Higgs产额测量。

ABSTRACT

The search for the production of weakly-interacting SUSY particles at the LHC is crucial for testing supersymmetry in relation to dark matter. Decays of neutralinos into Higgs bosons occur over some significant part of the SUSY parameter space and represent the most important source of $h$ boson production in SUSY decay chains in the MSSM. We study h production in neutralino decays using scans of the phenomenological MSSM. Whilst in constrained MSSM scenarios the decay chi^0_2 -> h chi^0_1 is the dominant channel, this does not hold in more general MSSM scenarios. On the other hand, the chi^0_2,3 -> h chi^0_1 decays remain important and are highly complementary to multi-lepton final states in the LHC searches. The perspectives for the LHC analyses at 8 and 14 TeV as well as the reach of an e+e- collider at 0.5, 1, 1.5 and 3 TeV are discussed.

研究动机与目标

• 识别在MSSM中SUSY衰变链内通过中性ino衰变产生的主导Higgs玻色子产生通道。
• 评估LHC在8 TeV与14 TeV能量下对pMSSM参数空间中中性ino衰变产生Higgs玻色子的探测灵敏度。
• 评估未来 $e^+e^-$ 直线对撞机（$\sqrt{s} = 0.5$–3 TeV）在探测中性ino衰变为Higgs玻色子方面的互补发现潜力。
• 将灵活的pMSSM框架结果与高度约束的CMSSM进行比较，突出不同衰变通道主导性的差异。
• 量化未来 $e^+e^-$ 对撞机在测量中性ino衰变产生的Higgs玻色子产额与质量方面可达到的精度。

提出的方法

• 对pMSSM中的19个自由参数进行平坦扫描，生成 $2\times10^8$ 个点，并施加来自LEP2、Tevatron、味物理和暗物质遗迹密度的约束。
• 使用SOFTSUSY 3.2.3计算SUSY质量谱，利用SDecay计算中性ino衰变的分支比。
• 使用HDECAY（5.0）计算Higgs衰变分支比，并为LHC与 $e^+e^-$ 对撞机分析实施探测器级模拟。
• 在LHC的4-jet + MET末态中，应用喷流配对与二喷流不变质量重建技术以识别 $h \to b\bar{b}$ 衰变。
• 在 $e^+e^-$ 对撞机上对二喷流质量分布进行 $\chi^2$ 拟合，以提取 $h$、$Z$ 与 $W$ 玻色子的产额，采用Breit-Wigner与高斯参数化方法。
• 在LCFIVertex中使用ZVTOP算法进行b夸克标记，以提升 $e^+e^-$ 对撞机事件重建中的信号分离能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在pMSSM中，哪些中性ino衰变通道主导Higgs玻色子的产生？与CMSSM相比有何差异？
• RQ2 LHC在8 TeV与14 TeV能量下对pMSSM参数空间中中性ino衰变产生Higgs玻色子的探测灵敏度如何？
• RQ3 Higgs通道衰变如何与LHC中SUSY搜寻的多轻子末态形成互补？
• RQ4 未来 $e^+e^-$ 对撞机（$\sqrt{s} = 0.5$–3 TeV）在探测中性ino衰变产生Higgs玻色子方面具有多大的探测范围？
• RQ5 $e^+e^-$ 对撞机能否实现对中性ino衰变产生的Higgs玻色子质量低于1%、产额约5%的精度测量？

主要发现

• 在pMSSM中，$\tilde{\chi}^0_{2,3} \to h\tilde{\chi}^0_1$ 衰变是SUSY衰变链中Higgs玻色子产生的主导来源，尤其在非约束情景下，其贡献超过 $\tilde{\chi}^0_2 \to h\tilde{\chi}^0_1$ 衰变。
• 在13–14 TeV能量下，Higgs通道覆盖了通过电弱费米子对产${\chi}^\pm$–中性ino对的pMSSM点中超过一半，表明具有广泛的发现潜力。
• 在8 TeV下，$bb\ell$ + MET末态的截面乘以分支比为0.01–1 fb，当 $M_{\tilde{\chi}^0_{2,3}} \leq 600$ GeV时，14 TeV下的值约为其三倍。
• HL-LHC可实现对中性ino衰变中产生的Higgs玻色子比例的统计精度优于10%的测量。
• 在 $\sqrt{s} \geq 1$ TeV、亮度为1.0–3.0 ab$^{-1}$ 的 $e^+e^-$ 对撞机上，可实现约5%精度测量中性ino衰变产生的Higgs玻色子产额。
• 在3 TeV $e^+e^-$ 对撞机上，对二喷流质量分布的拟合得到的 $h$ 玻色子分数为 $0.269 \pm 0.013$，接近生成值 $0.290$，证实了精确重建的可行性。