[论文解读] NMSSM Higgs Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, J. F. Gunion+2 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Jan 28, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 16

一句话总结

本文表明，即使标准模型类希格斯玻色子主要衰变为一对轻量CP-奇异性希格斯玻色子（h → aa），导致标准搜索模式失效，大型强子对撞机（LHC）仍能探测到至少一个NMSSM希格斯玻色子。通过WW融合产生机制并随后衰变为τ⁺τ⁻ + jets，作者在mₐ > 2m_b时实现了超过50的统计显著性，证明了在300 fb⁻¹亮度下，NMSSM希格斯玻色子探测的‘无败’定理具有坚实基础。

ABSTRACT

We demonstrate that Higgs discovery at the LHC is possible in the context of the NMSSM even for those scenarios such that the only strongly produced Higgs boson is a very SM-like CP-even scalar which decays almost entirely to a pair of relatvely light CP-odd states. In combination with other search channels, we are on the verge of demonstrating that detection of at least one of the NMSSM Higgs bosons is guaranteed at the LHC for accumulated luminosity of $300 { m fb}^{-1}$.

研究动机与目标

• 研究当标准模型类希格斯玻色子主要衰变为一对轻量CP-奇异性希格斯玻色子（h → aa）时，LHC是否仍能探测NMSSM希格斯玻色子，此类衰变会避开标准搜索通道。
• 评估WW融合产生过程（pp → jjτ⁺τ⁻）作为此类隐藏希格斯衰变探测通道的可行性。
• 利用实际截断条件和蒙特卡罗模拟，评估信号相对于主要背景（t\bar{t}、ZZ、Drell-Yan）的统计显著性。
• 通过识别一种稳健且模型无关的探测通道，将MSSM希格斯玻色子探测的‘无败’定理推广至NMSSM，以应对原本不可见的希格斯衰变。

提出的方法

• 在NMSSM中模拟通过WW融合产生的希格斯玻色子，重点关注最终态jjτ⁺τ⁻，其中τ⁺τ⁻对来自轻量CP-奇异性希格斯玻色子（a₁）的衰变。
• 应用严格的运动学截断以分离WW融合信号，包括对前向/后向喷流以及高横动量τ轻子的要求。
• 使用蒙特卡罗模拟估算信号与背景率（S和B），以S/√B作为统计显著性（N_SD）指标。
• 聚焦于标准模型类希格斯玻色子（h₁或h₂）质量约为100–130 GeV且主要衰变为a₁a₁的参数点，其中a₁衰变为b\bar{b}、τ⁺τ⁻或喷流。
• 利用求和规则与耦合约束，确保与LEP对e⁺e⁻ → Zh和e⁺e⁻ → ha过程的限制相容。
• 综合多个搜索通道及亮度情景（300 fb⁻¹）的结果，评估整体探测潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 当标准模型类希格斯玻色子几乎完全衰变为一对轻量CP-奇异性希格斯玻色子（h → aa）时，LHC是否仍能探测NMSSM希格斯玻色子？此类情况会抑制所有标准衰变模式。
• RQ2 在NMSSM中，当希格斯玻色子衰变为一对轻量CP-奇异性希格斯玻色子时，WW融合信号（pp → jjτ⁺τ⁻）的统计显著性如何？
• RQ3 主要背景（t\bar{t}、ZZ、Drell-Yan）对τ⁺τ⁻ + 喷流末态中WW融合信号的可探测性有何影响？
• RQ4 即使标准衰变模式被抑制，是否仍可建立NMSSM希格斯玻色子探测的‘无败’定理？何种探测通道可实现这一目标？
• RQ5 若LHC仅观测到奇异衰变模式，对未来的对撞机（如直线对撞机）在确认希格斯信号方面有何启示？

主要发现

• 对于NMSSM参数点，当标准模型类希格斯玻色子（h）主要衰变为一对轻量CP-奇异性希格斯玻色子（h → aa）时，若mₐ > 2m_b，WW融合过程pp → jjτ⁺τ⁻的统计显著性（S/√B）至少为50。
• 当mₐ < 2m_b时，显著性降至约20–22，主要由于难以重建轻量a₁玻色子的衰变产物。
• 即使存在不可忽略的t\bar{t} + 喷流背景，信号仍保持稳健，因为严格的喷流与τ轻子运动学截断能有效抑制该背景。
• 本研究识别出一种可行且高显著性的探测通道（WW融合至τ⁺τ⁻ + 喷流），该通道独立于标准希格斯衰变模式，确保在原本不可见的场景下仍能实现探测。
• 在300 fb⁻¹的积分亮度下，所有存活参数点的综合统计显著性（包括WW融合）均超过10，支持NMSSM希格斯玻色子探测的‘无败’定理。
• 结果表明，若在LHC中发现标准模型类希格斯玻色子但未观测到任何标准衰变模式，应优先开展针对WW融合 + τ⁺τ⁻ + 喷流信号的专门搜索。