[论文解读] Implications of the ATLAS and CMS searches in the channel $pp o Higgs o τ^+τ^$ for the MSSM and SM Higgs bosons

Julien Baglio, A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文使用在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下的 LHC 36 pb$^{-1}$ 数据，重新评估了 ATLAS 和 CMS 在 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 模式下对 MSSM 和 SM Higgs 玻色子的约束。结果表明，排除限制度几乎与模型无关，当考虑理论不确定性时，限制度略有放宽；此外，包含 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 的整体过程是 SM Higgs 在 115–130 GeV 范围内一个极具前景且尚未被充分利用的发现通道——通过改进分析技术，其灵敏度可能与 $H \to \gamma\gamma$ 通道相当。

ABSTRACT

We discuss the implications of the recent constraints on the Higgs sector of the Minimal Supersymmetric extension of the Standard Model obtained by the ATLAS and CMS collaborations at the lHC with $\sqrt s=7$ TeV and 36 pb$^{-1}$ of data. The main production and detection channel that is relevant in these analyses is the gluon--gluon and bottom quark fusion mechanisms leading to neutral Higgs bosons which subsequently decay into tau lepton pairs, $gg, b\bar b o Higgs o τ^+τ^-$. In this note, we show that: i) the exclusion limits are in fact more general than indicated by the ATLAS and CMS analyses and are essentially independent of the scenario for the supersymmetric particle spectrum; ii) when the exclusion limits are applied to the lowest theory prediction for the Higgs production cross section times branching ratio, when all theoretical uncertainties are taken into account, the bounds are somewhat less stringent; iii) the exclusion limits from the $pp o Higgs o τ^+ τ^-$ process are so strong that only a modest improvement would be possible when other MSSM Higgs detection channels are considered, even with femtobarn level accumulated data. Finally and most important, we point out that the prospects for the search for the Standard Model Higgs boson in the inclusive $gg o H o τ^+τ^-$ channel, that is not currently considered by the ATLAS and CMS collaborations, turn out to be very promising and with a few inverse femtobarn data it might provide a convincing discovery signal in the difficult 115--135 GeV mass range for the standard Higgs boson.

研究动机与目标

• 重新评估 ATLAS 和 CMS 在 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 通道中对 MSSM Higgs 玻色子排除限制度的稳健性与普适性。
• 评估理论不确定性对 MSSM 中 Higgs 产生截面乘以分支比预测的影响。
• 评估在 $\tau^+\tau^-$ 通道施加强约束后，其他 MSSM Higgs 搜索通道是否仍具可行性。
• 主张包含 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 的整体过程是 SM Higgs 玻色子在 115–130 GeV 质量范围内的高度竞争且尚未被充分利用的发现通道。

提出的方法

• 分析 ATLAS 和 CMS 在 MSSM Higgs 玻色子的 $[M_A, \tan\beta]$ 参数空间中，针对 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 通道的排除限制度。
• 通过考察超对称粒子谱的影响，特别是 Higgs–$b\bar{b}$ Yukawa 耦合的辐射修正，评估限制度的模型独立性。
• 使用 $pp \to \Phi \to \tau^+\tau^-$ 率的最小理论预测重新计算排除边界，同时纳入截面和分支比中的完整理论不确定性。
• 通过先进重建技术、喷注多重性分离以及包含向量玻色子融合和与 $W/Z$ 玻色子的关联产生等额外产生模式，评估 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 通道灵敏度提升的潜力。
• 将 $H \to \tau^+\tau^-$ 通道的灵敏度与 $H \to \gamma\gamma$ 通道进行比较，表明其灵敏度仅低约两倍，且具有显著提升空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS 和 CMS 在 $pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 通道中的排除限制度是否在不同 MSSM 谱下真正与模型无关？
• RQ2 Higgs 产生截面和分支比中的理论不确定性如何影响 $[M_A, \tan\beta]$ 平面中推导出的排除边界？
• RQ3 包含 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 的整体过程是否能为 115–130 GeV 范围内的 SM Higgs 玻色子提供具有竞争力的发现通道？
• RQ4 通过实验和理论改进，$H \to \tau^+\tau^-$ 通道的灵敏度可提升至何种程度？
• RQ5 在 $\tau^+\tau^-$ 通道施加强约束后，其他 MSSM Higgs 搜索通道在多大程度上仍具相关性？

主要发现

• ATLAS 和 CMS 在 $[M_A, \tan\beta]$ 平面中的排除限制度几乎与模型无关，因为 Higgs–$b\bar{b}$ Yukawa 耦合的辐射修正在产生截面乘以分支比中相互抵消。
• 当正确考虑理论不确定性时，$\tan\beta$ 的排除范围略有缩小，对于 $100 \leq M_A \leq 200$ GeV，仅 $\tan\beta \gtrsim 30$–50 被排除。
• 在 1–3 fb$^{-1}$ 数据量下，$pp \to \text{Higgs} \to \tau^+\tau^-$ 的限制度将变得极强，其他 MSSM Higgs 通道对发现潜力的贡献将非常有限。
• 包含 $gg \to H \to \tau^+\tau^-$ 的整体过程是 SM Higgs 玻色子在 115–130 GeV 范围内极具前景的发现通道，其灵敏度仅比 $H \to \gamma\gamma$ 通道低约两倍。
• 通过使用改进的质量重建技术、喷注多重性分析，以及包含向量玻色子融合和关联产生贡献，$H \to \tau^+\tau^-$ 通道的灵敏度可显著提升，整体截面可提高 15–20%。
• 作者敦促 ATLAS 和 CMS 合作组将 $pp \to H \to \tau^+\tau^-$ 通道作为 SM Higgs 玻色子在 115–130 GeV 挑战性质量窗口中的关键发现通道予以优先考虑。