[論文レビュー] Boosted Higgs-pair production associated with large $E_T^{miss}$: a signal of $Z^\prime$

Chuan Ren Chen, Yu Xiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、HL-LHCにおける$pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi$チャンネルで$Z^\prime$ボソンを探索することを提案している。ここで$Z^\prime$はヒッグスボソンとダークマター粒子$\chi$に崩壊し、2つのヒッグスボソン（$2\gamma 2b$崩壊経路を介して）と大きな並進エネルギー欠損をもたらす。ブーストしたヒッグスジェットを特定するためのジェット・サブストラクチャーテクニックを用い、研究では$\sim 500\,\text{GeV}$の質量を持つ$Z^\prime$が$\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$の光度で5$\sigma$以上の有意水準で発見可能であることを示している。

ABSTRACT

Non-resonant production of Higgs-pair via heavy intermediate states may be a distinctive signature for extended discrete symmetries when accompaied by large missing transvers energy. We discuss $T$-parity as an example of such symmetry within the Littlest Higgs Model, where a new heavy gauge boson $Z'$, the $T$-odd partner of SM $Z$-boson, predominately decays into to a Higgs boson and a dark matter candidate $χ$. In essence, $T$-parity stablises simultaneously both the Higgs mass and the dark matter. Production via $pp ightarrow Z' Z' ightarrow 2h 2χ$ may therefore yield important clues about symmetries connecting the Higgs and dark sectors. This paper makes a case for the search for this channel at the LHC by studying its discovery potential. It is demonstrated that in situations where a large $Z'-χ$ mass gap results in a boosted topology, the jet-substructure technique can be leveraged to reach the required significance for discovery in the $2h ightarrow 2\gamma2b$ decay mode.

研究の動機と目的

• HL-LHCにおけるT対称性を有するミニマム・ヒッグスモデルにおける$Z^\prime$ボソンの発見可能性を調査すること。
• $pp \to Z^\prime Z^\prime \to 2h2\chi$という加速器シグネチャを検討し、ここで$h$はヒッグスボソンで$\chi$はダークマター候補であり、大きな$E_T^{\text{miss}}$とブーストしたヒッグスジェットをもたらすこと。
• ブーストしたヒッグスボソンを$2h \to 2\gamma 2b$崩壊モードにおいてジェット・サブストラクチャーテクニックを用いて同定する可能性を示すこと。
• 標準模型背景に対する信号の有意水準を評価し、発見に必要な光度を特定すること。

提案手法

• $Z^\prime$が標準模型$Z$ボソンの$T$奇性パートナーであり、$h\chi$にのみ崩壊するという特徴を持つ、T対称性を有するミニマム・ヒッグスモデルをベンチマークとして採用する。
• ブーストしたヒッグスボソンを$h \to \gamma\gamma$および$h \to b\bar{b}$崩壊から再構築・同定するために、BDRSジェット・サブストラクチャーアルゴリズムを用いる。
• 標準模型背景を抑制するために、連続的な運動量的カットを適用し、$N_\gamma \geq 2$、$N_{\text{fatjet}} \geq 1$、$N_\ell \leq 0$、$E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$、および$|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$を含む。
• 信号純度を向上させるために、ヒッグス対のインヴァリアント質量（$m_{hh} > 252\,\text{GeV}$）、$p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$、および$b$タギングに対する追加カットを課す。
• $\sqrt{s} = 14\,\text{TeV}$で$\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$の光度を想定し、モンテカルロシミュレーションを用いて信号断面積と統計的有意水準を計算する。
• $Z^\prime \to h\chi$のブランチ比を100%と仮定し、$m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$における発見可能域を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T対称性を有するミニマム・ヒッグスモデルにおける$Z^\prime$ボソンは、HL-LHCにおいて$2h + E_T^{\text{miss}}$シグネチャを通じて発見可能か？
• RQ2 ジェット・サブストラクチャーテクニックは、ブーストしたヒッグストポロジーにおいて信号の有意水準をどの程度向上できるか？
• RQ3 このチャンネルにおいて、$m_{Z^\prime} \sim 500\,\text{GeV}$の$Z^\prime$を5$\sigma$で発見するために必要な光度はどの程度か？
• RQ4 運動量的カットは、信号イベントを保持しつつ、標準模型背景をどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 このモデルにおいて、$Z^\prime$質量が2$\,\text{TeV}$まで拡張した場合の発見可能性はいかがなものか？

主な発見

• $m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$の$Z^\prime$ボソンは、$\mathcal{O}(100)\,\text{fb}^{-1}$の光度で、$2h \to 2\gamma 2b$崩壊モードにおいてHL-LHCで5$\sigma$以上の有意水準で発見可能である。
• すべてのカットを適用した後、$m_{Z^\prime} = 500\,\text{GeV}$における信号断面積は$1.20 \times 10^3\,\text{fb}$にまで低下し、背景抑制後の有意水準は$3.17 \times 10^{-2}$に相当する。
• $E_T^{\text{miss}} \geq 150\,\text{GeV}$および$|m_{\text{fatjet}} - 125\,\text{GeV}| < 30\,\text{GeV}$のカットが、背景を低減しつつ信号を保持する上で最も効果的である。
• $b$タギングおよび$p_T^{\text{fatjet}} > 200\,\text{GeV}$のカットにより背景がさらに抑制され、最終段階で断面積は$1.20 \times 10^3\,\text{fb}$にまで低下する。
• $m_{Z^\prime} = 1000\,\text{GeV}$の場合、最終的な信号断面積は$3.56 \times 10^1\,\text{fb}$に達する。これは顕著ではあるが、発見は困難であることを示唆している。
• 本研究は、大きな$E_T^{\text{miss}}$とジェット・サブストラクチャーテクニックの組み合わせが、$T$対称性を有するモデルにおける$Z^\prime$の発見可能なチャネルを実現可能であることを確認した。