[论文解读] Unveiling the MSSM Neutral Higgs Bosons with Leptons and a Bottom Quark

Bariş Altunkaynak, Chung Kao+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在最小超对称标准模型（MSSM）中，通过底夸克的关联产生及衰变为底夸克与τ轻子，再进一步衰变为正负电子-μ子对（$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$）的中性Higgs玻色子的发现潜力。在$\sqrt{s} = 14$ TeV和$L = 300$ fb$^{-1}$条件下，当$\tan\beta \approx 50$时，$5\sigma$发现可达$M_A \approx 800$ GeV；当$\tan\beta \approx 60$时，可超越1 TeV，得益于更清晰的末态拓扑结构和相比$\tau$-喷注道的更少喷注标记不确定性。

ABSTRACT

We investigate the prospects for the discovery of neutral Higgs bosons produced with a bottom quark where the Higgs decays into a pair of tau leptons and the taus decay into an electron-muon pair, i.e. $bg o bϕ^0 o bτ^+τ^- o be^\pmμ^\mp + E\!\!\!/_T$, $ϕ^0 = h^0, H^0, A^0$. Our study has been done within the framework of the Minimal Supersymmetric Standard Model. We consider the dominant physics backgrounds including the production of Drell-Yan processes ($bτ^+τ^-$ and $jτ^+τ^-, j = q, g$), top quark pair ($t\bar{t}$), $tW$ and $jWW$ with realistic acceptance cuts and efficiencies. We present $5σ$ discovery contours for the neutral Higgs bosons in the ($M_A, anβ$) plane as well as the region with a favored light Higgs mass (123 GeV $\le m_h\le$ 129 GeV). Promising results are found for the CP-odd pseudoscalar ($A^0$) and the heavier CP-even scalar ($H^0$) Higgs bosons with masses up to 800 GeV and $ anβ\simeq 50$ at the LHC with a center of mass energy ($\sqrt{s}$) of 14 TeV and an integrated luminosity ($L$) of 300 fb$^{-1}$. With $\sqrt{s} =$ 14 TeV and $L =$ 3000 fb$^{-1}$, LHC will be able to discover the Higgs pseudoscalar and the heavier Higgs scalar beyond $M_A = 1000$ GeV.

研究动机与目标

• 探索一种干净的、无$\tau$-喷注的中性MSSM Higgs玻色子信号，利用末态中具有异号电子-μ子对与缺失横向动量的衰变模式。
• 评估在LHC上通过$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$道，对$h^0$、$H^0$和$A^0$的发现潜力。
• 评估实际接受度截断、探测器效率以及主要背景（Drell-Yan、$t\bar{t}$、$tW$、$jWW$）对信号可观测性的影响。
• 在不同亮度和能量条件下，确定在($M_A$, $\tan\beta$)平面上的$5\sigma$发现轮廓。
• 在符合当前LHC排除限制的重超对称谱下，评估MSSM Higgs扇区的探测能力。

提出的方法

• 信号过程为$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$，其中$\phi^0 = h^0, H^0, A^0$，在MSSM框架内研究。
• 在主要背景的计算中完整包含了自旋关联效应：Drell-Yan（$b\tau^+\tau^-$，$j\tau^+\tau^-$）、$t\bar{t}$、$tW$和$jWW$。
• 应用接受度截断和探测器效率以模拟真实的LHC条件，包括使用$\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$变量以提升信号与背景的比值。
• 在部分子能标$\sqrt{s} = 14$ TeV下计算信号与背景截面，并针对积分亮度30、300和3000 fb$^{-1}$推导出$5\sigma$发现轮廓。
• 分析假设了重超对称谱（$M_{\text{SUSY}} = 1$ TeV），以减少超对称贡献对信号的影响，重点聚焦于Higgs的产生与衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 14$ TeV和$L = 300$ fb$^{-1}$条件下，LHC中$be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$末态对MSSM中性Higgs玻色子的$5\sigma$发现可达多大质量？
• RQ2 在$bg \to b\phi^0 \to b\tau^+\tau^- \to be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$道中，信号截面与背景抑制如何随$M_A$和$\tan\beta$变化？
• RQ3 $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$截断在高质质量区域对提升信号显著性有多大改善？
• RQ4 不同Higgs态（$A^0$、$H^0$、$h^0$）以及不同亮度下的发现潜力如何比较？
• RQ5 $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$道相对于$\tau$-喷注道的灵敏度如何，特别是在背景抑制与减少标记不确定性方面？

主要发现

• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV和$L = 300$ fb$^{-1}$条件下，当$\tan\beta \approx 50$时，$5\sigma$发现可达$M_A \approx 800$ GeV；当$\tan\beta \approx 60$时，可接近$M_A = 1$ TeV。
• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下，当$M_A = 800$ GeV且$\tan\beta = 50$时，信号截面约为1.5 fb。
• 在低$M_A$区域，Drell-Yan过程是主要背景；在高$M_A$区域，$t\bar{t}$和$tW$占主导。
• $\hat{s}_{\text{min}}^{1/2}$截断显著提升了高质质量区域的信号显著性。
• $be^\pm\mu^\mp + \not{E}_T$道通过消除$\tau$-喷注标记的不确定性，为$\tau$-喷注道提供了一种更清晰的替代方案。
• 当$L = 3000$ fb$^{-1}$时，LHC可探测到$\tan\beta$较大时的$A^0$和$H^0$ Higgs玻色子，质量超过$M_A = 1000$ GeV。