[论文解读] The Scope of the 4 tau Channel in Higgs-strahlung and Vector Boson Fusion for the NMSSM No-Lose Theorem at the LHC

A. Belyaev, S. Hesselbach+4 more|ArXiv.org|May 22, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 25

一句话总结

本文在LHC上研究了在下一步最小超对称标准模型（NMSSM）中，通过Higgs辐射（HS）和矢量玻色子融合（VBF）产生，具有$2\mu+2$ jets信号的$h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$衰变道。研究显示，VBF模式可提供高达每年8,000个事件（在100 fb$^{-1}$亮度下），使其成为发现轻希格斯玻色子的可行路径，并在$M_{a_1} < 2m_b$的场景下支持NMSSM的“无损失定理”。研究强调，需采用低阈值的同电荷二μ子触发以提升灵敏度。

ABSTRACT

We study the potential of the h_1 -&gt; a_1 a_1 -&gt; 4 tau signal from the lightest scalar (h_1) and pseudoscalar (a_1) Higgs bosons to cover the parameter space of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) at the Large Hadron Collider (LHC). We exploit a 2 mu + 2 jets signature from four taus decays (accompanied by missing transverse energy), resorting to both Higgs-strahlung (HS), by triggering on leptonic W^\pm decays, and Vector Boson Fusion (VBF), by triggering on two same sign non-isolated muons.

研究动机与目标

• 评估在LHC上通过NMSSM中$h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$衰变道发现最轻的CP偶性希格斯玻色子$h_1$的潜力。
• 评估$4\tau$道在覆盖可行NMSSM参数空间方面的可行性，特别是在$M_{a_1} < 2m_b$且$a_1 \to b\bar{b}$因动力学禁戒的场景下。
• 检验通过半轻衰变产生的$2\mu+2$ jets信号，结合HS和VBF产生模式，是否能实现可观测的事件率。
• 通过证明$h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$在广阔参数空间内提供稳健的发现通道，支持NMSSM的“无损失定理”。

提出的方法

• 对14个NMSSM参数（包括$\tan\beta$、$\lambda$、$\kappa$、$A_\lambda$、$A_\kappa$、$\mu$及软对称性破缺质量）进行了广泛参数扫描，受限于LEP、$B$物理及WMAP暗物质丰度的约束。
• 使用NMSSMTools软件包计算希格斯粒子质量、耦合常数及衰变宽度，确保与实验和理论约束一致。
• 采用PYTHIA模拟希格斯粒子的产生与衰变过程，包括通过Higgs辐射（HS）和矢量玻色子融合（VBF）产生$h_1$。
• 事件选择采用$2\mu+2$ jets信号：两个来自$\tau \to \mu\nu\nu$衰变的孤立μ子，两个带有单条轨迹的$\tau$喷注，以及两个高$p_T$喷注；要求μ子电荷与$\tau$轨迹电荷相反。
• 对于HS模式，触发条件为孤立$W^\pm \to \ell\nu$衰变，且$p_T > 19$ GeV（μ子）或$26$ GeV（电子）；对于VBF模式，采用$p_T > 7$ GeV的同电荷二μ子触发。
• 应用选择性截断，排除除两个$\tau$喷注外的额外喷注，以提升信号纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，能否通过半轻$\tau$衰变产生的$2\mu+2$ jets信号观测到NMSSM中$h_1 \to a_1a_1 \to 4\tau$衰变道？
• RQ2 该衰变道在Higgs辐射（HS）和矢量玻色子融合（VBF）产生模式下的发现潜力如何？
• RQ3 在$M_{a_1} < 2m_b$区域，$4\tau$道的事件率如何随$M_{h_1}$和$M_{a_1}$变化？
• RQ4 该道是否能通过覆盖广泛的可行参数空间，支持NMSSM的“无损失定理”？
• RQ5 哪些触发要求——尤其是同电荷二μ子的阈值——对最大化$4\tau$道的灵敏度至关重要？

主要发现

• 经过选择性截断后，VBF产生道在100 fb$^{-1}$亮度下每年可产生高达8,000个事件，远高于Higgs辐射模式的每年1,000个事件。
• HS与VBF的截面最大值出现在$M_{h_1} \gtrsim M_Z$时，但VBF在较低$h_1$质量下仍保持灵敏度。
• 事件率在$a_1$的$2m_\tau$阈值略上方达到最大，且在$M_{a_1} > 2m_\tau$和$M_{a_1} < 2m_b$区域仍可实现显著事件率。
• 参考文献[18, 20]中的基准点P2与P3产生中等水平的事件率，表明结果并非偏向过于有利的参数区域。
• 采用低阈值同电荷二μ子触发的$2\mu+2$ jets信号对探测VBF道并提升发现潜力至关重要。
• 研究结论认为，$4\tau$道（尤其是通过VBF）可覆盖NMSSM可行参数空间的显著部分，支持该模型的“无损失定理”。