[论文解读] Towards a No-Lose Theorem for NMSSM Higgs Discovery at the LHC

Ulrich Ellwanger, John F. Gunion+2 more|ArXiv.org|May 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 60

一句话总结

本文提出了一种在LHC上探测NMSSM希格斯玻色子的新探测通道，其中轻量级标准模型类似希格斯玻色子（h）主要衰变为两个CP奇异性希格斯玻色子（aa），导致标准探测模式失效。利用WW→h→aa信号，作者表明在300 fb⁻¹亮度下，jjτ⁺τ⁻不变质量分布的低质量尾部可观察到S/B ≈ 500–1000/300的显著峰，提示当结合标准模式时，NMSSM希格斯玻色子的发现可实现无败理论。

ABSTRACT

We scan the parameter space of the NMSSM for the observability of a Higgs boson at the LHC with $300 { m fb}^{-1}$ integrated luminosity per detector, taking the present LEP constraints into account. We focus on the regions of parameter space for which none of the usually considered LHC detection modes are viable due to the fact that the only light non-singlet (and, therefore, potentially visible) Higgs boson, $h$, decays mainly to two CP-odd light Higgs bosons, $h o a a$. We simulate the $WW o h o aa$ detection mode. We find that this signal may be detectable at the LHC as a signal/background $\sim 600/600$ bump in the tail of a rapidly falling mass distribution. If further study gives us confidence that the shape of the background tail is predictable, then we can conclude that NMSSM Higgs detection at the LHC will be possible throughout all of parameter space by combining this signal with the usual detection modes previously simulated by ATLAS and CMS. We also show that this $WW o h o aa$ signal will be highly visible at the LC due to its cleaner environment and high luminosity. We present a study of the production modes and decay channels of interest at the LC.

研究动机与目标

• 研究LHC是否能在标准探测模式因h→aa衰变占主导而失效的区域探测到NMSSM希格斯玻色子。
• 评估WW→h→aa衰变通道在LHC低质量尾部的可观测性，尽管背景水平较高。
• 通过结合该新颖通道与传统探测模式，建立NMSSM希格斯玻色子发现的无败理论。
• 评估国际线性对撞机（LC）在确认信号和测量分支比方面的互补作用。

提出的方法

• 在LEP约束下扫描NMSSM参数空间，重点关注SM类似希格斯玻色子（h）主要衰变为两个CP奇异性希格斯玻色子（a₁a₁）的区域。
• 在LHC环境下模拟300 fb⁻¹亮度下的WW→h→aa产生与衰变过程链，建模包含喷流和τ轻子的末态。
• 通过S/√B估算信号显著性，其中S为信号事例数，B为背景事例数，重点关注jjτ⁺τ⁻不变质量分布。
• 评估背景尾部的可预测性，以实现在低质量区域的显著性判断。
• 评估LC通过高亮度、洁净环境及反冲质量技术，在Zh→h→aa末态中确认信号的潜力。
• 利用LC中的WW/ZZ融合和Zh产生过程提取BR(h→aa)，并探测haa耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准衰变模式（如h→γγ、h→bb̄）因h→aa衰变占主导而被抑制的参数区域，LHC能否探测到NMSSM希格斯玻色子？
• RQ2 尽管背景水平较高，WW→h→aa信号是否可在LHC的jjτ⁺τ⁻质量分布中作为明显的峰被观测到？
• RQ3 jjτ⁺τ⁻质量分布中背景尾部的形状是否足够可预测，以支持显著性估计？
• RQ4 国际线性对撞机（LC）能否确认LHC的信号并以高精度测量h→aa分支比？
• RQ5 从LC对h→aa衰变的测量中，能够多大程度上提取haa耦合强度？

主要发现

• 在300 fb⁻¹亮度下，WW→h→aa信号在jjτ⁺τ⁻不变质量分布的低质量尾部产生可探测的S/B ≈ 500–1000/300峰。
• 由于背景分布迅速衰减，该信号可在LHC的低质量区域被观测到，即使背景水平较高，仍可实现统计显著性。
• jjτ⁺τ⁻质量分布中背景尾部的可预测性足够高，可支持对信号的可靠提取，从而证明该探测通道的可行性。
• LC对于确认LHC信号至关重要，Zh→h→aa产生过程使通过反冲质量技术精确测量BR(h→aa)成为可能。
• LC还可通过WW/ZZ融合探测h→aa衰变，在jjτ⁺τ⁻末态中存在可行信号，可能在4j或4τ末态中亦可观测。
• 依赖γγ或WW末态的标准希格斯宽度测量对h→aa衰变无效，因此直接测量BR(h→aa)对于探测haa耦合至关重要。