Поиск заряженного бозона Хиггса
Заряженный бозон Хиггса предсказывается многими моделями с расширенным хиггсовским сектором, например, модель с двумя хиггсовскими дублетами (2HDM), модели с хиггсовскими триплетами, включая модель малого Хиггса (Little Higgs Models).
Его открытие было бы убедительным сигналом физики вне Стандартной модели, первым экспериментальным свидетельством справедливости модели MSSM, если она реализуется в природе, и масштаб масс суперсимметричных частиц достаточно велик, чтобы сделать их ненаблюдаемыми.
Стратегия поиска заряженного бозона Хиггса зависит от предположения о его массе, которая определяет сечение его рождения и вероятные каналы распада. В области масс ниже массы t-кварка основным механизмом рождения является распад t-кварка, t→H+b, а доминирующим каналом распада Н→τν. Положительных заряд бозона Хиггса имеет условное значение, отрицательный заряд присутствует на равных правах. В области больших масс основной вклад в рождение дает процесс слияния глюона и b-кварка, gb→tH+, а основным каналом распада служит распад на t и b-кварки, Н+→ tb.
Поиск заряженного Н-бозона использует несколько объектов, реконструируемых на высоком уровне, таких как электроны, мюоны, струи, образованные b-кварком или τ-лептоном. Эти объекты реконструируются специально разработанными алгоритмами ATLAS. Конечные состояния, отбираемые триггером, содержат от двух до четырех b-струй, легкие струи от адронных распадов W-бозонов, одно или более нейтрино от W или Н распадов, τ-лептоны, распадающиеся с образованием адронов или на электрон, или мюон, и нейтрино.
Поиск легкого заряженного бозона Хиггса
В случае, если заряженный бозон Хиггса имеет малую массу, то вероятность распада t→ bW не близка к единице, как это предсказывает Стандартная модель. Это означает, что основной ожидаемый фон от распадов tt̃-пар Стандартной модели меньше на вклад распадов заряженного бозона Хиггса. Этот эффект учитывается в анализе. Рассматривались три канала распада легкого Н+-бозона:
где τ-лептон распадается по адронному каналу τ(адр) или лептонному τ(лепт), l обозначает электрон или мюон.
Анализ приводился для светимости 1033 см-1с-1 для сценария В модели MSSM. После применения оптимизированных критериев отбора для каждого канала были получены распределения событий сигнала и фона. На рис. 14.2.13 на верхнем рисунке показаны распределения поперечных масс Н+ для первого канала и для второго канала на нижнем. Масса Н+ в первом случае 130 ГэВ, сечение соответствует значению tanβ = 20, нижняя заштрихованная область гистограммы соответствует только фону Стандартной модели. На нижних рисунках приведены распределения поперечных масс W (а) и Н+ бозона (b) для значения его массы 110 ГэВ и величине tanβ = 20. Темная область и пунктир на рисунках соответствуют фоновым событиям. Статистическая значимость сигнала оценивается по совместной аппроксимации двух этих распределений.
Для третьего канала количество отобранных событий сигнала мало и оценка эффективности его наблюдения вычислялась путем многопараметрической аппроксимации, с учетом распределений по недостающей поперечной энергии, множественности струй, поперечного импульса τ-лептона. На рис. 14.2.14 на верхних рисунках показаны контуры областей параметров модели( масса Н+ и tanβ), где возможно наблюдение этого канала на уровне 5σ (слева) и области, которые можно будет исключить на уровне 95% достоверности в случае отсутствия сигнала (справа), при разных значениях интегральной светимости. Канал два имеет аналогичные предсказания. Наибольшую область параметров перекрывает первый канал. Его ожидаемые результаты приведены на нижних рисунках.
Поиск тяжелого Н+ бозона
Для анализа рождения Н+ бозона с массой, превышающей массу t-кварка, были выбраны два канала распада:
- gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b] τ(адр) ν
- gg/ gb → t [b] H+→ t [b] tb →bW[b]bWb→ blν[b]bqqb.
Символ [b] обозначает дополнительный b, присутствующий в механизме рождения gg→tb H+, и отсутствующий в канале рождения gb → t H+. Анализ выполнен для светимости 10 33см-1с-1 в сценарии В.
Сигнал в случае распада Н+→τν характеризуется жесткой струей τ-лептона, большой недостающей поперечной энергий из-за присутствия нейтрино, одной или двух b-струй, двух легких струй, W и t, которые должны быть реконструированы в событии. Основной фон составляют события с рождением tt̃ –пар кварков, в особенности когда один из них распадается в образованием τ-струи и нейтрино, t→ b τ(адр) ν, а другой по адронному каналу, t→ bqq. Другими источниками фона служат одиночное рождение t-кварка, W+струи и многоструйные КХД события. Реконструкция W и t позволяет подавить эти фоны. Распределения событий сигнала и фона по поперечной массе Н+ после всех отборов приведены на рис.14.2.15 для трех значений массы Н+ 170, 250 и 400 ГэВ. Сечения сигнала и фона соответствуют значению tanβ = 35. Более темные (или голубые) области соответствуют событиям сигнала.
Сечения выделенных событий составляют 14,7 фб, 2,9 фб и 0,58 фб для трех значений массы Н+, соответственно. Для массы 600 ГэВ выделяемое сечение составляет 0,1фб, также для значения tanβ = 35. Соответствующие значения параметров для случая наблюдения сигнала и его исключения показаны на рис. 14.2.16.
Поиск сигнала в канале gg/ gb → t [b] H+→ t [b] tb →bW[b]bWb→ blν[b]bqqb требует регистрации трех (или четырех) струй от b-кварков, двух струй от легких кварков одного лептоны с большим поперечным импульсом и нейтрино. Кроме того, при реконструкции дают вклад дополнительные струи сопутствующих событий, что приводит к увеличению множественности струй. Анализ включает ограничения параметров отбора и многопараметрический анализ максимума правдоподобия. Реконструированные события сигнала и фона показаны на рис.14.2.17 для масс Н+ 200, 250, 400 и 600 ГэВ. Значения параметра tanβ выбиралось таким, чтобы статистическая значимость сигнала в распределениях составляла 5. Распределения для суммы сигнала и фона показано точками, темные области соответствуют фоновым событиям.
В качестве примера ниже приведена таблица 10 результатов выделения сигнала и фона этого процесса. В ней показаны сечения наблюдаемого сигнала Н+ в фб и эффективности выделения для разных значений масс Н+. Приведены также сечения фоновых событий разных процессов с соответствующими эффективностями регистрации. Результаты соответствуют значению tanβ = 35.
Как и в других расчетах, для этих результатов большое значение имеет оценка систематических погрешностей наблюдения сигнала.
В итоге, анализ для пяти значений массы заряженного бозона Хиггса, выполненный в ATLAS, показал, что уже при интегральной светимости 1 фб-1 можно будет улучшить контуры областей, исключающих рождение Н+. Более значимые результаты требуют реконструкции объектов высокого уровня и, соответственно, большей светимости.
Объединенные данные для трех каналов распада легкого Н+ могут обеспечить наблюдение Н+ при 10 фб-1, что перекроет все значения параметра tanβ от 20 до 4 во всем диапазоне масс Н+ до примерно 150 ГэВ. Для промежуточных значений tanβ ≈ 7 рождение Н+ может быть исключено. Использование большей статистики моделированных событий может улучшить результаты и для промежуточных значений tanβ.
Наблюдение тяжелого Н+ более вероятно в τν канале распада, где, несмотря на меньшую вероятность такого распада, возможно более эффективное подавление фона.
Потенциал открытия в сценарии В MSSM зависит от значения массы Н+, и возможен в области параметров от массы 200 Гэв и tanβ=28 до массы 350 ГэВ и tanβ=58 при интегральной светимости 30 фб-1.
Разработаны для применения процедура, позволяющие комбинаторно учесть разные каналы распадов бозона Хиггса для суммарной оценки его сечения или областей исключения его образования. Эти процедуры позволяют также объединять результаты разных экспериментов с учетом систематических погрешностей и вклада фонов.
