[論文レビュー] A measurement of the total cross section of $\sigma_{Zh}$ at a future $e^{+}e^{-}$ collider using the hadronic decay mode of $Z$

Akiya Miyamoto|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、将来のe⁺e⁻衝突機におけるヒッグス・ストラーレーション断面積（σZh）のモデルに依存しない測定を、Zボソンのハドロン崩壊を用いて提案する。Z→qq̄崩壊からのジェットの運動量を用いてヒッグス粒子を反動質量によって再構築し、エネルギー補正およびジェット選別カットを適用することで、√s = 350 GeV（165 fb⁻¹）で∆σZh/σZh = 3.4%、500 GeV（500 fb⁻¹）で3.9%の精度を達成した。高エネルギー域では分解能が低下するが、依然として実現可能性を示した。

ABSTRACT

A feasibility to use the hadronic decay mode of $Z$ for the model independant measurement of the total cross section of Higgs-strahlung process $(\sigma_{Zh})$ at a future $e^+e^-$ collider was studied. For the recoil mass measurement from hadronic decay of $Z$, a simple cut based analysis was applied on samples produced by the ILD full detector simulation at $\sqrt{s}=350$ GeV and 500 GeV using the ILC beam parameters. At $350$ GeV, a bump in the recoil mass distribution was reconstructed, and $\Delta\sigma_{Zh}/\sigma_{Zh}$ = 3.4% was obtained assuming 165 fb$^{-1}$ data with $e^-(e^+)$ beam polarization of -80%(+30%) and +80%(-30%), respectively. At $500$ GeV, clear Higgs boson peak in the recoil mass distribution was not seen, however, from the excess of the events, $\Delta\sigma_{Zh}/\sigma_{Zh}=3.9%$ was obtained assuming 500 fb$^{-1}$ data with $e^-(e^+)$ beam polarization of -80%(+30%).

研究の動機と目的

• 将来のe⁺e⁻衝突機におけるZのハドロン崩壊モードを用いたσZh測定の実現可能性を評価すること。
• レプトン崩壊の小さな分岐比の制限を補うために、Z→qq̄の分岐比が大きいことを活用すること。
• ILD検出器シミュレーションにおける粒子フロー・カラシメータからのジェットエネルギーおよび運動量を用いた反動質量再構築の性能を評価すること。
• √s = 350 GeVおよび500 GeVにおけるカットベースのイベント選別およびバックグラウンド減算を用いたσZh測定の達成可能な精度を定量化すること。
• ビームの偏光およびジェットエネルギー補正が信号対ノイズ比および分解能に与える影響を調査すること。

提案手法

• √s = 350 GeVおよび500 GeVにおけるILCビームパラメータを用いたILDフル検出器シミュレーションを用いた。
• 包括的ジェット再構築のため、ktジェットアルゴリズム（R = 1.2、pT,min = 1.0 GeV/c²）を適用した。
• ジェットエネルギーと質量の相関を線形に除去するための運動量補正係数を導入し、反動質量分解能を向上させた。
• 選別カットを適用：Zジェット対の質量は85–100 GeV/c²、kT²はそれぞれ4000–6000 (GeV/c²)²および>500 (GeV/c²)²の範囲。
• 光子が80 GeVを超えるイベントを除外し、最終選別のためにジェット質量>87 GeV/c²および|cosθjet| < 0.7を要件とした。
• 補正済みジェット4元運動量を用いて反動質量を計算し、バックグラウンド減算有無の分布を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e⁺e⁻衝突機におけるハドロンZ崩壊から反動質量を用いてヒッグス粒子を十分な分解能で再構築可能か、σZh測定に適しているか？
• RQ2 √s = 350 GeVおよび500 GeVにおけるZ→qq̄崩壊とジェットベースの反動質量再構築を用いたσZh測定の達成可能な精度は何か？
• RQ3 ビーム偏光およびバックグラウンド抑制技術が、この測定における信号対ノイズ比に与える影響は？
• RQ4 ジェットエネルギー分解能および質量再構築の正確さが、高エネルギー中心系質量領域での精度にどの程度制限を及えるか？
• RQ5 エネルギー補正技術は、ジェットエネルギーと質量の相関を緩和し、反動質量分解能を向上させることができるか？

主な発見

• √s = 350 GeVでは、反動質量分布に明確なヒッグスピークが観測され、信号対ノイズ比は11113/175437であった。
• e⁻(e⁺)ビーム偏光がそれぞれ-80% (+30%)の条件下で、165 fb⁻¹のデータを用いてσZh測定の精度は∆σZh/σZh = 3.4%に達した。
• √s = 500 GeVでは、分解能の悪化およびバックグラウンドの増加により、反動質量分布に明確なヒッグスピークは見えなかった。
• ピークが見えないにもかかわらず、信号に類似したイベントの過剰が観測され、e⁻(e⁺)ビーム偏光がそれぞれ-80% (+30%)の条件下で500 fb⁻¹のデータで∆σZh/σZh = 3.9%の精度が達成された。
• 主なバックグラウンド源は4フェルミオン過程（WW、ZZ）および2フェルミオンq̄q過程で、合計バックグラウンドの43%および27%を占めた。
• エネルギー補正により信号の分離が向上し、ジェットエネルギーと質量の相関が低減され、Zと非Zジェットの分離が向上した。