[論文レビュー] Branching ratio measurement of $h o \mu ^+ \mu ^-$ at the ILC

Shin-Ichi Kawada, Jenny List+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、国際線形加速器（ILC）におけるHiggsボソンの崩壊 $h \to \mu^+\mu^-$ の測定可能性を、ILDコンセプトを用いたフルデタクターシミュレーションを用いて評価する。中心系エネルギー250 GeVおよび500 GeVにおいて、段階的走行スケジュール下で $\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ の組み合わせ精度が15.4%に達し、過去の推定値を著しく上回り、HL-LHCの感度に近づく一方で、モデルに依存しない結合定数の測定が可能となる。

ABSTRACT

We study the prospects of measurement of the branching ratio of $h o \mu^+ \mu ^-$ at the International Linear Collider (ILC). The study is performed at center-of-mass energies of 250 GeV and 500 GeV, using fully-simulated MC samples with the International Large Detector (ILD) model. For both center-of-mass energies, the two final states $q\overline{q}h$ and $ u \overline{ u}h$ have been analyzed. For an integrated luminosity of 2000 fb$^{−1}$ at 250 GeV and 4000 fb$^{−1}$ at 500 GeV, corresponding to the H20 running scenario as well as its staged version, the precision on $\sigma imes \mathrm{BR}(h o \mu ^+ \mu ^-)$σ×BR(h→μ+μ−) is estimated.

研究の動機と目的

• ILCにおけるレアHiggs崩壊 $h \to \mu^+\mu^-$ の高精度測定の可能性を評価すること。
• ビーム偏光および中心系エネルギー（250 GeVおよび500 GeV）が信号感度に与える影響を評価すること。
• ブーストドリフトツリー（BDT）を用いたバックグラウンド抑制およびフィッティング手順の最適化により、測定精度を向上させること。
• H20および段階的走行スケジュールの比較を行い、特に250 GeV走行に注目すること。
• $\sigma \times \text{BR}$ および全断面積測定を組み合わせることで、絶対的分岐比およびヤクビ・結合定数のモデルに依存しない抽出を可能とすること。

提案手法

• ILDデタクターモデルおよびILC技術設計レポートのイベントジェネレータ（WhizardおよびPythia）を用いたフルモンテカルロシミュレーション。
• 特定の運動量およびインパクトパラメータ基準を満たす孤立ミューオンを同定するためのIsolatedLeptonTaggerの適用。
• 最終状態選別にブーストドリフトツリー（BDTG）を用い、各チャンネルごとに信号対バックグラウンド比を最大化するように最適化。
• トイ・モンテカルロ実験を用いた統計的解析により、フィッティング精度およびバイアスを推定し、YSおよびプル分布にガウスフィッティングを適用。
• 左/右ビーム偏光を含む250 GeVおよび500 GeVでの8つの最終状態（qqhおよび $\nu\nu h$）の結果を組み合わせる。
• フィッティング手順における系統的不確実性を低減するため、バックグラウンド収率（YB）を高い精度（約5%）で固定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILDデタクターモデルを用いた場合、250 GeVおよび500 GeVにおける $\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ の期待される精度はどの程度か？
• RQ2 段階的走行スケジュールにおける250 GeV走行は、H20スケジュールと比較して信号感度および精度にどのように影響するか？
• RQ3 BDTによるバックグラウンド抑制および最適化カットが測定精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 ビーム偏光（左/右ヘンス）が信号収率および精度に与える影響は？
• RQ5 ILCは、$\sigma \times \text{BR}$ および全断面積データを組み合わせることで、分岐比およびヤクビ結合定数のモデルに依存しない測定を達成できるか？

主な発見

• 段階的走行スケジュール下で250 GeVおよび500 GeVの結果を組み合わせた場合、$\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ の組み合わせ精度が15.4%に達する。
• 250 GeVの結果のみで20.5%の精度が達成され、初期のH20スケジュール推定値と比較して約20%の改善が見られる。
• 500 GeVでは、最終状態および偏光状態に応じて精度が37.0%から52.1%の範囲にあり、$\nu\nu h$ チャンネルが最も高い感度を示す。
• プル分布の平均は $-0.071 \pm 0.002$、幅は $0.779 \pm 0.001$ であり、フィッティング手順にわずかなバイアスが残っていることが示唆される。
• 500 GeVにおける左偏光状態の $\nu\nu h$ 最終状態では、1600 fb$^{-1}$ で57.5件の信号イベントが得られ、全チャンネルの中で最多である。
• 本研究は、$\sigma \times \text{BR}$ と全断面積データを組み合わせることで、LHC測定が理論的仮定に依存するのとは異なり、ILCがモデルに依存しない結合定数測定を達成できることを示している。