[论文解读] How to Detect `Decoupled' Heavy Supersymmetric Higgs Bosons

Mike Bisset, N. Kersting+1 more|ArXiv.org|Sep 7, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出，通过重希格斯玻色子（H⁰, A⁰）衰变为更重的中性ino对（χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰），而非仅限于传统的 χ̃₂⁰χ̃₂⁰ 模式，可在LHC上探测到解耦的重MSSM希格斯玻色子。关键发现是，当M₂较小时且|μ|适中时，包含这些更高阶中性ino态可将探测范围扩展至高Mₐ、中等tanβ的“解耦区域”，在此区域SM衰变信号完全缺失。

ABSTRACT

Heretofore neglected decay modes of heavy MSSM Higgs bosons into a variety of neutralino pairs may push the LHC discovery reach for these crucial elements of an extended Higgs sector to nearly the TeV-scale -- if sparticle-sector MSSM input parameters are favorable. This is well into the so-called decoupling region, including moderate to low tan(beta) values, where no known signals exist for said heavy Higgs bosons via decays involving solely SM daughter particles, and the lighter h^0 mimics the lone SM Higgs boson. While the expanse of the Higgs to sparticle discovery region is sensitive to a number of MSSM parameters, including in particular those for the sleptons, its presence is primarily linked to the gaugino inputs -- in fact, to just one parameter, M_2, if gaugino unification is invoked. Thus consideration of high vs. low M_2 realms in the MSSM should be placed on a par with the extensive consideration already given to high vs. low tan(beta) regimes.

研究动机与目标

• 解决在高Mₐ、中等tanβ的解耦区域中，LHC对重MSSM希格斯玻色子探测范围不足的问题，该区域SM衰变信号完全缺失。
• 研究重H⁰和A⁰衰变为超对称粒子对（特别是更重的中性ino态χ̃₃⁰, χ̃₄⁰）时被忽视的衰变模式，超越标准的χ̃₂⁰χ̃₂⁰模式。
• 证明这些新衰变通道可显著增强4ℓ + Eₜmiss信号率，尤其在M₂较小且|μ|适中时。
• 揭示以往研究仅限于χ̃₂⁰χ̃₂⁰衰变，因而忽略了MSSM参数空间中大部分探测潜力。
• 确立在解耦区域中，包含更重中性ino衰变对实现重希格斯玻色子完整且现实的LHC探测策略至关重要。

提出的方法

• 对pp → H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰ → 4ℓ + 2χ̃₁⁰ (Eₜmiss) 的所有可能衰变链进行全面扫描，涵盖所有中性ino态（i,j = 1–4）及带电ino。
• 使用树图MSSM参数：Mₐ, tanβ, μ, M₂, 以及M₁（在规范耦合统一下，M₁ ≈ 5/3 tan²θW M₂）。
• 在( Mₐ, tanβ)平面上对1000多个参数点进行模拟，覆盖300 fb⁻¹亮度，变化μ与M₂。
• 计算4ℓ + Eₜmiss末态的总产生率与分支比，重点关注χ̃₃⁰χ̃₄⁰及其他更重中性ino对的贡献。
• 对比两组基准设置的探测区域（d.r.’s）：一组仅包含χ̃₂⁰χ̃₂⁰衰变（Set 1），另一组包含所有中性ino态（Set 2）。
• 与ATLAS对SM衰变模式探测范围的预测对比，强调ATLAS研究中参数选择的局限性可能低估了真实探测潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 当包含衰变为更重中性ino对（χ̃₃⁰, χ̃₄⁰）时，重MSSM希格斯玻色子在解耦区域（高Mₐ，中等tanβ）的探测范围如何？
• RQ2 LHC中4ℓ + Eₜmiss信号率（来自H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰衰变）如何依赖规范玻色子质量M₂与希格斯ino混合参数μ？
• RQ3 以往LHC希格斯玻色子搜索策略若排除更重中性ino衰变，其在MSSM参数空间中未能覆盖的探测潜力有多大？
• RQ4 与三体衰变相比，包含共振二体衰变（如χ̃ᵢ⁰ → ℓ⁻ℓ⁺χ̃₁⁰）是否能显著增强4ℓ + Eₜmiss信号率？
• RQ5 在使用相同MSSM输入参数时，4ℓ + Eₜmiss的探测区域与SM衰变模式的探测区域相比如何？

主要发现

• 当Mₐ > 500 GeV且tanβ适中时，H⁰, A⁰ → χ̃ᵢ⁰χ̃ⱼ⁰衰变产生的4ℓ + Eₜmiss信号在300 fb⁻¹亮度下可产生数十至数百个事例，尤其在M₂较小且|μ|适中时。
• 当|μ| < 400 GeV且M₂较低至中等时，衰变为更重中性ino（χ̃₃⁰, χ̃₄⁰）占主导，某些区域贡献超过90%的信号。
• 4ℓ + Eₜmiss的探测区域显著扩展至高Mₐ、中等tanβ的“解耦区域”，覆盖了SM衰变信号完全缺失的区域。
• Set 2（包含所有中性ino态）的探测范围远大于Set 1（仅χ̃₂⁰χ̃₂⁰），后者几乎完全遗漏了高Mₐ、tanβ > 5的区域。
• 包含更重中性ino衰变可增强信号率，因其允许通过共振衰变至带电 sleptons，从而提升末态轻子分支比。
• 本研究揭示，若仅限制于SM衰变与χ̃₂⁰χ̃₂⁰模式，将排除MSSM参数空间的大部分区域，尤其在M₂较小且|μ|适中时。