[论文解读] Production of two Higgses at the Large Hadron Collider in CP-violating MSSM

Priyotosh Bandyopadhyay, Katri Huitu|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文研究了在CP破坏的MSSM情景下，大型强子对撞机（LHC）中产生两个希格斯玻色子的情况，重点关注一个轻量级、可能不可见的希格斯玻色子（即“隐藏希格斯”）的发现潜力，其质量低于100 GeV。通过使用PYTHIA和Fastjet模拟SM背景，研究发现$2b+2\tau$末态极具前景，在约10 fb$^{-1}$的亮度下可实现5\sigma显著性；而 dilepton末态则可用于精确测量轻希格斯玻色子的质量峰。

ABSTRACT

Production of two Higgs bosons is studied in a CP violating supersymmetric scenario at the Large Hadron Collider with $E_{cm}=14$ TeV. There exists a region where a very light Higgs $\lesssim 50$ GeV could not be probed by LEP experiment. This leads to so called 'LEP hole' region. Recently LHC found a Higgs boson around $\sim 125$ GeV, which severely constrains the possibility of having lighter Higgs bosons, which cannot be detected, i.e., buried Higgs, in this model. We investigate the possibility of buried Higgs bosons along with the direct and indirect bounds coming from LEP, LHC and other experiments. In particular we take into account the constraints from EDM and from $B$-observables. We analyse first the case where a Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two Higgs masses are below 100 GeV and not observabed so far. In the second case the lightest Higgs boson mass is around 125 GeV and the other two are decoupled. We analyse the production of two Higgses and their decay modes leading to various final states for these benchmark points. We perform a collider simulation with PYTHIA and Fastjet where we consider all the major backgrounds. Among the final states we have analysed, we find that $2b+2τ$ is promising and the signal significance is $5σ$ at an integrated luminosity $\lesssim 10$ fb$^{-1}$. For some benchmark points it is also possible to observe the light Higgs mass peak. We also explore the leptonic final state which could be instrumental in the precision measurement of a very light Higgs.

研究动机与目标

• 探索在MSSM中由于‘LEP空洞’而未被探测到的轻量级、CP破坏希格斯玻色子（即‘隐藏希格斯’）的发现潜力。
• 评估在EDM和$B$物理可观测量约束下，CP破坏MSSM框架中LHC上希格斯对产生的可行性。
• 识别检测轻希格斯玻色子最敏感的末态，并重建其质量峰。
• 在包含SM背景的真实LHC条件下，评估各种末态中信号的显著性。

提出的方法

• 使用PYTHIA和Fastjet对$\sqrt{s} = 14$ TeV下的CP破坏MSSM中的希格斯对产生进行模拟，实现部分子辐射和喷注重建。
• 应用选择性截断以分离$bb\tau\tau$、$bb\ell\ell$、$\ell\ell$和$4\ell$末态，重点关注$2b+2\tau$和轻子末态。
• 包含主要SM背景：$t\bar{t}$、$VV$、$t\bar{t}Z$、$t\bar{t}W$和$t\bar{t}b\bar{b}$，并进行详细的背景估计。
• 在10 fb$^{-1}$积分亮度下，通过事件计数和背景估计进行信号显著性计算。
• 利用$bb$和$\tau\tau$对的不变质量重建来识别希格斯质量峰，特别关注$m_{h_1} \sim 30$ GeV和$m_{h_2} \sim 95$ GeV的情况。
• 考虑来自EDM（尤其是铊）、$B_s \to \gamma s$和$B_s \to \mu\mu$衰变的约束，以定义可行的基准点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CP破坏MSSM中，尽管该轻量级希格斯玻色子（低于100 GeV）在LEP中未被探测到，是否仍可在LHC中实现发现？
• RQ2 在14 TeV质心系能量下，哪些末态对LHC中希格斯对产生的信号显著性最高？
• RQ3 在$2\ell$或$b\bar{b}\tau\tau$末态中，能否以高显著性重建极轻希格斯玻色子（$m_{h_1} \sim 30$ GeV）的质量峰？
• RQ4 EDM和稀有$B$衰变的约束如何影响CP破坏MSSM中‘隐藏希格斯’的可行参数空间？
• RQ5 在不同末态中，实现$5\sigma$显著性探测轻量级希格斯玻色子所需的亮度是多少？

主要发现

• 在约10 fb$^{-1}$的积分亮度下，$2b+2\tau$末态可实现5\sigma的信号显著性，使其成为发现轻量级希格斯玻色子的最有希望的通道。
• 在10 fb$^{-1}$下，$2\ell$末态对基准点BP2实现了5\sigma的显著性，且BP2中$h_1$质量峰的显著性高达7.6\sigma。
• 在BP2中，$\sim$30 GeV的$h_1$质量峰在轻子末态中可实现高显著性（7.6\sigma）重建，但BP3则需要更高的亮度。
• $4\ell$末态在低亮度下前景有限，即使采用$m_{\ell\ell}$窗口切割，其信号与背景比也较低。
• $H^\pm W^\mp$、$H^\pm h_i$和$H^\pm H^\mp$的背景贡献对所研究的末态可忽略不计。
• 在10 fb$^{-1}$下，$2\ell$末态的信号显著性超过3\sigma（BP1），表明在适度亮度下具有潜在发现能力。