[论文解读] Investigation of the Discovery Potential for Higgs Bosons of the Minimal Supersymmetric Extension of the Standard Model (MSSM) with ATLAS

M. Schumacher|ArXiv.org|Oct 7, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文评估了大型强子对撞机（LHC）ATLAS实验在最小超对称标准模型（MSSM）中对希格斯玻色子的发现潜力，分析了四个CP不变和一个CP破坏基准情景。利用FeynHiggs和ATLAS快速蒙特卡罗模拟，研究发现，在300 fb⁻¹亮度下，整个MSSM参数空间均可实现发现，但在CP破坏情景中，仍存在一个$M_{H^\pm}$和$\tan\beta$较小的区域未被覆盖。

ABSTRACT

The discovery potential of the ATLAS experiment at the LHC for Higgs bosons of the MSSM is discussed. Several CP conserving and one CP violating benchmark scenario are investigated.

研究动机与目标

• 评估ATLAS实验在不同基准情景下对MSSM中全部五个物理希格斯玻色子的发现潜力。
• 评估ATLAS搜索通道（尤其是VBF、GGF和关联产生）对区分MSSM希格斯玻色子与标准模型（SM）希格斯玻色子的敏感性。
• 识别由于动量覆盖有限或产生截面抑制而导致希格斯玻色子未被探测到的MSSM参数空间区域。
• 研究通过测量分支比比值（如$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$）来区分标准模型希格斯玻色子与MSSM希格斯玻色子的可行性。
• 突出发现能力的缺口，特别是CP破坏的CPX情景中，低质量希格斯态可能被当前ATLAS搜索策略遗漏。

提出的方法

• 使用FeynHiggs v2.1计算五个基准情景（四个CP不变：m_h-max、nomixing、gluophobic、small α；一个CP破坏：CPX）的希格斯玻色子质量、耦合常数和分支比。
• 采用LO截面计算希格斯玻色子通过胶子融合（GGF）、矢量玻色子融合（VBF）、顶夸克（$tt\cal{H}$）、弱玻色子（$W\cal{H}$）和底夸克（$bb\cal{H}$）的关联产生，应用MSSM特异性修正因子。
• 通过PYTHIA和专用矩阵元计算，计算带电希格斯玻色子通过$gb \to tH^\pm$和$tt \to bbWH^\pm$过程的产生截面。
• 整合ATLAS快速蒙特卡罗研究，分析关键衰变道的信号效率、背景率和探测器性能（如b夸克标记、$\tau$标记、轻子隔离）。
• 使用统计显著性与信号对背景比评估发现能力，亮度设定为300 fb⁻¹。
• 仅考虑统计不确定性，评估SM与MSSM通过比值$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$的区分潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在300 fb⁻¹亮度下，MSSM中轻的CP偶宇称希格斯玻色子（$h$）在不同CP不变基准情景下的发现潜力如何？
• RQ2 在CPX情景中引入CP破坏后，对中性与带电希格斯玻色子的发现能力有何影响？
• RQ3 哪些MSSM参数空间区域由于产生截面低或动量抑制而无法被ATLAS探测到？
• RQ4 在VBF产生过程中，分支比比值$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$能否用于区分MSSM希格斯玻色子与SM希格斯玻色子？
• RQ5 当前ATLAS搜索策略在探测CP破坏情景中轻希格斯玻色子方面存在哪些局限性，特别是在$M_{H^\pm}$较低且$\tan\beta$较小时？

主要发现

• 在300 fb⁻¹积分亮度下，ATLAS实验可在四个CP不变基准情景的整个MSSM参数空间中发现至少一个希格斯玻色子。
• 最轻的希格斯玻色子（$h$）可通过多种通道（如$\gamma\gamma$、$\tau\tau$、$WW$、$bb$）被发现，从而可通过分支比测量实现SM与MSSM的潜在区分。
• 在CPX情景中，存在一个$M_{H^\pm} < 100$ GeV且$\tan\beta$较小的区域未被覆盖，其中最轻的希格斯玻色子（$H_1$）质量低于70 GeV，而$H_2$和$H_3$的质量位于105–180 GeV之间。
• 在$m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}$情景中，由于大辐射修正，最轻的希格斯玻色子质量可达133 GeV，从而增强发现前景。
• 比值$R = BR(h \to \tau\tau)/BR(h \to WW)$显示出区分SM与MSSM的潜力，其中$\Delta > 1$（且$\Delta > 2$）表明在$m_{\mathrm{h}}{\mathrm{-max}}$情景中具有显著敏感性。
• 带电希格斯玻色子可通过顶夸克衰变（$t \to bH^\pm$）在$M_{H^\pm} < 170$ GeV时被发现，也可通过$gb \to tH^\pm$在$M_{H^\pm} > 180$ GeV时被发现，但在170–180 GeV区间存在探测空白。