[论文解读] Observability of MSSM Higgs bosons via sparticle decay modes in CMS

F. Moortgat, S. Abdullin+1 more|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文研究了重希格斯玻色子（$A^0$，$H^0$）衰变为次轻中性ino对（$\chi^0_2$）后，$\chi^0_2 \to l^+l^- \chi^0_1$，在大型强子对撞机（LHC）上产生干净的四轻子+缺失横向能量信号的可观测性。利用CMS探测器模拟，研究表明，当中性ino和轻子质量足够轻时，该衰变道在低至中等$\tan\beta$下，可在230–450 GeV质量范围内实现对重希格斯玻色子的发现，且通过运动学和拓扑学选择条件可有效抑制背景。

ABSTRACT

We discuss the possibilities to observe the decays of heavy SUSY Higgs bosons into supersymmetric particles at the LHC. Such an observation would be of interest either in a discovery search if sparticle modes are the dominant ones, or in a study of additional decay modes, bringing information on the SUSY scenario potentially at work. We will focus on the most promising channel where the heavy neutral Higgses decay into a pair of next-to-lightest neutralinos, followed by their decay into two leptons and the LSP, thus leading to four isolated leptons + missing E_T as the main final state signature. A study with the CMS detector shows that the background (SM + SUSY) can be sufficiently suppressed and that in the mass region between m_A = 230 and 450 GeV, for low and intermediate values of tan beta, the signal would be visible provided neutralinos and sleptons are light enough.

研究动机与目标

• 评估重MSSM希格斯玻色子（$A^0$，$H^0$）衰变为超对称粒子而非标准模型粒子时的发现潜力。
• 评估$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$通道是否可在$\tau\tau$衰变被抑制的低-$\tan\beta$区域，作为标准模型衰变模式的可行替代方案。
• 通过运动学和拓扑学选择标准，识别并抑制主要的SM和SUSY背景（如$ZZ$、中微子超对称粒子对产生、超对称粒子级联衰变）。
• 确定在$ m_A $、$ \tan\beta $、$ M_2 $、$ \mu $、$ m_{\tilde{l}} $ 参数空间中，尽管存在竞争性衰变模式和背景贡献，该信号仍可被观测的区域。

提出的方法

• 本研究使用CMS探测器模拟框架，对$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$衰变链的信号和背景事件进行建模。
• 信号事件基于MSSM框架生成，变化的关键参数包括：$m_A$、$\tan\beta$、$\mu$、$M_1$、$M_2$、$m_{\tilde{l}}$ 以及 $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$。
• 背景抑制依赖于多种选择标准：要求四个孤立轻子、$E_T^{miss} > 40$ GeV、通过$Z$玻色子衰变抑制来排除$Z\to ll$过程，且将喷射流数量限制为最多两个，且$E_T < 50$ GeV。
• $ZZ$背景是主要的SM背景，但可通过四轻子和$Z$玻色子抑制要求有效抑制。
• 通过要求低喷射流多重性和$E_T^{miss}$截断，可减轻由超对称粒子引发的背景（如中微子超对称粒子对产生、夸克/胶球级联衰变）。
• 在100 $fb^{-1}$积分亮度下评估发现潜力，通过逐级筛选后的事件计数方法评估信号显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型衰变模式失效的低-$\tan\beta$区域，$A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$衰变道是否能为重MSSM希格斯玻色子提供可探测的信号？
• RQ2 运动学和拓扑学筛选在抑制该通道中主要的SM（$ZZ$）和SUSY（$\tilde{\nu}\tilde{\nu}$，$\tilde{q}/\tilde{g}$级联）背景方面有多有效？
• RQ3 改变$M_2$、$\mu$、$m_{\tilde{l}}$ 和 $m_{\tilde{q},\tilde{g}}$ 对$ m_A $–$\tan\beta $ 平面中信号可见度和发现范围有何影响？
• RQ4 轻夸克和胶球在多大程度上会损害信号显著性？是否可通过增加筛选条件加以缓解？
• RQ5 $\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$的分支比如何依赖于$\mu$、$M_1$、$M_2$ 和 $m_{\tilde{l}}$？这对整体信号速率有何影响？

主要发现

• $A^0,H^0 \to \chi^0_2\chi^0_2 \to 4l + E_T^{miss}$通道在$\tan\beta \lesssim 40$时，于$ m_A \sim 230$–450 GeV质量范围内，提供了干净且可探测的信号，且在100 $fb^{-1}$亮度下表现良好。
• 当$M_2 \approx 120$ GeV、$\mu \approx -500$ GeV、$m_{\tilde{l}} \approx 250$ GeV时，尽管存在背景抑制，信号仍可被观测。
• $ZZ$背景是主要的SM背景，但通过四轻子和$Z$玻色子抑制要求可被有效抑制。
• 通过要求最多两个喷射流且$E_T < 50$ GeV，并限制$E_T^{miss}$，可有效抑制来自中微子超对称粒子对产生和夸克/胶球级联衰变的超对称背景。
• 当$m_{\tilde{q},\tilde{g}} \lesssim 500$ GeV时，夸克/胶球背景与中微子产生背景相当，会降低发现范围，但通过增加筛选条件仍可管理。
• 信号发现范围强烈依赖于$|\mu|$和$m_{\tilde{l}}$：较大的$|\mu|$和较小的$m_{\tilde{l}}$可增强$\chi^0_2 \to l^+l^-\chi^0_1$的分支比，从而提高信号可见度。