[论文解读] Scope of Higgs production in association with a bottom quark pair in probing the Higgs sector of the NMSSM at the LHC

M. M. Almarashi, Stefano Moretti|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了在大 $\tan\beta$ 条件下，通过与底夸克对的关联产生，LHC 检测非常轻的 CP 奇态 Higgs 玻色子 $a_1$ 的潜力。识别出 $\tau^+\tau^-$ 和 $\mu^+\mu^-$ 衰变模式为最佳发现通道，证明此类轻 $a_1$ 状态——在 MSSM 中不可见——可被探测，并为超越 MSSM 的非最小 Higgs sector 提供有力证据。

ABSTRACT

We review the potential of the LHC to detect a very light CP-odd Higgs boson of the NMSSM, $a_1$, through its direct production in association with a bottom-quark pair at large tan$β$. We also review the LHC discovery potential of the two lightest CP-even Higgs states, decaying into two lighter Higgs states or into the lightest CP-odd Higgs state and the $Z$ gauge boson.

研究动机与目标

• 评估 LHC 在 NMSSM 中探测非常轻的 CP 奇态 Higgs 玻色子 $a_1$ 的发现潜力。
• 探讨在大 $\tan\beta$ 条件下，与底夸克对的关联产生是否能克服 MSSM 的限制，实现对 $a_1$ 的探测。
• 评估尽管存在较大的 QCD 背景，$a_1$ 通过 $\tau^+\tau^-$、$\mu^+\mu^-$ 和 $\gamma\gamma$ 衰变模式的探测可行性。
• 研究 Higgs 到 Higgs 的衰变在增强信号率并实现多个 Higgs 状态同时探测中的作用。
• 在 LHC 的 NMSSM Higgs 物理背景下，检验“无损失”和“更多可获”定理。

提出的方法

• 分析包含三个 CP 偶态、两个 CP 奇态和一个带电 Higgs 状态的 NMSSM Higgs sector，这些状态源自两个双态和一个单态超多重态。
• 使用包含 $\lambda$ 和 $\kappa$ 耦合的 NMSSM 超势能，生成有效 $\mu$-项并打破 $U(1)_{PQ}$ 对称性，避免轴子和域壁问题。
• 构建包含 F-项、D-项和软性破缺项的标量势能，包含 $H_u$、$H_d$ 和 $S$ 的真空期望值。
• 对 LHC 中 $b\bar{b}$ 对关联产生的 Higgs 产生过程进行现象学分析，重点关注大 $\tan\beta$ 区域。
• 使用主要背景和运动学截断，评估 $a_1$ 衰变为 $\tau^+\tau^-$、$\mu^+\mu^-$、$b\bar{b}$ 和 $\gamma\gamma$ 的信号与背景比。
• 考虑 Higgs 到 Higgs 的衰变，如 $h_1 \to a_1 a_1$、$h_2 \to a_1 a_1$ 和 $h_2 \to h_1 h_1$，这些在 NMSSM 中是动力学上允许的，但在 MSSM 中不允许。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大 $\tan\beta$ 条件下，LHC 能否通过与底夸克对的关联产生探测质量 $m_{a_1} \lesssim M_Z$ 的非常轻的 CP 奇态 Higgs 玻色子 $a_1$？
• RQ2 哪些 $a_1$ 衰变模式在 LHC 中具有最高的信号与背景比，适合发现？
• RQ3 在 NMSSM 中，Higgs 到 Higgs 的衰变在多大程度上增强了对多个 Higgs 状态同时探测的潜力？
• RQ4 尽管存在较大的 QCD 背景，$a_1$ 的 $\gamma\gamma$ 衰变模式是否仍具备探测可行性？
• RQ5 LHC 能否通过关联产生和级联衰变同时探测 $h_1$、$h_2$ 和 $a_1$？

主要发现

• $b\bar{b}$ 关联产生模式在大 $\tan\beta$ 条件下占主导地位，是探测非常轻的 $a_1$ 的最有利产生通道。
• $\tau^+\tau^-$ 衰变模式可实现对质量高达 $M_Z$ 的 $a_1$ 的探测，提供清晰的信号且背景可控。
• $\mu^+\mu^-$ 衰变模式可在质量范围 $10 \lesssim m_{a_1} \lesssim 60$ GeV 内实现 $a_1$ 的探测，此时信号与背景比具有优势。
• $b\bar{b}$ 衰变模式虽然分支比最大，但由于 QCD 背景过强且信号与背景比过低，无法用于发现。
• $\gamma\gamma$ 衰变模式尽管在某些参数区域占主导，但由于信号显著性不足，无法作为有效的发现通道。
• Higgs 到 Higgs 的衰变如 $h_1 \to a_1 a_1$ 和 $h_2 \to a_1 a_1$ 在 NMSSM 参数空间的较大区域内占主导，可实现多个 Higgs 状态的同时探测，并支持“更多可获”定理。