[论文解读] Summary of the CMS Discovery Potential for the MSSM SUSY Higgses

D. Denegri, V. Drollinger+7 more|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 30

一句话总结

本文利用详细的探测器模拟，评估了CMS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。在30 fb⁻¹的积分亮度下，$h\to\gamma\gamma$ 和 $h\to b\bar{b}$ 是轻希格斯玻色子最有效的探测通道；而对于重希格斯玻色子，$A,H\to\tau\tau$ 和 $H^{\pm}\to\tau\nu$ 提供了最广的探测范围，而当超对称粒子较轻时，在低 $\tan\beta$ 区域，$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 通道提供了关键的互补性。

ABSTRACT

This work summarises the present understanding of the expected MSSM SUSY Higgs reach for CMS. Many of the studies presented here result from detailed detector simulations incorporating final CMS detector design and response. With 30 fb-1 the h -> gamma,gamma and h -> bb channels allow to cover most of the MSSM parameter space. For the massive A,H,H+ MSSM Higgs states the channels A,H -> tau,tau and H+ -> tau,nu turn out to be the most profitable ones in terms of mass reach and parameter space coverage. Consequently CMS has made a big effort to trigger efficiently on taus. Provided neutralinos and sleptons are not too heavy, there is an interesting complementarity in the reaches for A,H -> tau,tau and A,H -> chi,chi.

研究动机与目标

• 评估CMS探测器在多个衰变道中对MSSM希格斯玻色子的发现能力。
• 识别覆盖完整MSSM参数空间（尤其是高 $\tan\beta$ 和重希格斯态）时最敏感的末态。
• 评估标准模型衰变模式与中性子及轻 sleptons 的隐形衰变之间的互补性。
• 为触发和重建策略提供建议，特别是针对 $\tau$ 介子和缺失能量的处理。
• 为未来随着CMS探测器设计演进而开展的全仿真研究提供基准参考。

提出的方法

• 使用PYTHIA 5.7和6.1进行事件生成，并结合两圈/跑代方程（RGE）改进的希格斯粒子质量与耦合计算。
• 采用TAUOLA模拟极化 $\tau$ 介子的衰变，使用HDECAY进行截面和分支比的归一化。
• 通过快速模拟（CMSJET）进行研究，并利用基于GEANT的全仿真（CMSIM, ORCA）验证关键探测器效应。
• 聚焦于关键衰变道：$h\to\gamma\gamma$、$h\to b\bar{b}$、$A,H\to\mu\mu$、$A,H\to\tau\tau$（含双轻子、轻子+喷胶、双喷胶末态）、$H^{\pm}\to\tau\nu$、$H^{\pm}\to tb$ 以及 $A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$。
• 基于30 fb⁻¹和100 fb⁻¹的积分亮度，量化了在 $m_A$–$\tan\beta$ 平面中的发现能力。
• 评估背景水平与探测器性能，特别关注 $\tau$-标记、b-标记、喷胶分辨率及缺失横向能量的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 fb⁻¹的CMS探测器中，哪些衰变道对MSSM希格斯玻色子的发现能力最广？
• RQ2 对于重希格斯玻色子，$\tau\tau$ 末态（尤其是双 $\tau$-喷胶道）如何提升质量分辨率和探测能力？
• RQ3 在哪些参数区域，$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 通道能为标准模型衰变提供关键的互补发现潜力？
• RQ4 $H^{\pm}\to\tau\nu$ 和 $H^{\pm}\to tb$ 通道在带电希格斯玻色子搜索中的灵敏度如何比较？
• RQ5 $h\to\gamma\gamma$ 和 $h\to b\bar{b}$ 在30 fb⁻¹下覆盖了MSSM参数空间的多大范围？还存在哪些未被覆盖的区域？

主要发现

• 在30 fb⁻¹下，$h\to\gamma\gamma$ 和 $h\to b\bar{b}$ 覆盖了MSSM参数空间的大部分区域，尤其在无混合情形下表现优异。
• 对于重中性希格斯玻色子（$A$, $H$），采用双 $\tau$-喷胶末态的 $A,H\to\tau\tau$ 衰变提供了最佳质量分辨率（约14%），并显著提升了高质质量区的探测能力。
• 当 $\chi_2^0$ 和轻 sleptons 较轻时，在低 $\tan\beta$ 区域，$A,H\to\chi_2^0\chi_2^0\to 4\ell^\pm$ 通道提供了显著的互补性，其干净的轻子末态可有效降低背景。
• 在 $gb\to tH^{\pm}$ 事件中，$H^{\pm}\to\tau\nu$ 衰变是带电希格斯玻色子发现最有利的通道，因其具有较高的信背比。
• 在 $m_A \sim 120$ GeV 和 $\tan\beta \sim 5$ 附近存在一个微小的未探索区域，对应最大顶夸克混合情形，该区域在60 fb⁻¹时将被填补。
• 未来对弱玻色子融合过程（$qq\to qqH$）中 $H\to\tau\tau$ 和 $H\to\gamma\gamma$ 的研究可能覆盖整个MSSM参数空间，但需依赖全仿真结果加以确认。