[論文レビュー] Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs Boson Production with up to 8.2 fb$^{-1}$ of Data

B. Trocmé|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 51

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブのテバトロンにおけるCDFおよびD0実験からの標準模型ヒッグス粒子生成の統合上限を提示している。最大6.7 fb⁻¹のデータを用い、複数の崩壊モード（bb、WW、ττ、γγ）における129の排他的解析チャネルを統合し、高度な多次元解析手法と更新された理論的入力を適用することで、これまでで最も感度の高い上限を設定した。その結果、95%信頼水準で158–175 GeV/c²の質量範囲にヒッグス粒子が存在しないことを除外した。

ABSTRACT

We combine results from CDF and D0 on direct searches for the standard model (SM) Higgs boson H in ppbar collisions at the Fermilab Tevatron at sqrt(s)=1.96 TeV. Compared to the previous Tevatron Higgs search combination more data have been added, additional new channels have been incorporated, and some previously used channels have been reanalyzed to gain sensitivity. We use the latest parton distribution functions and gg to H theoretical cross sections when comparing our limits to the SM predictions. With up to 5.9 fb-1 of data analyzed at CDF, and up to 6.7 fb-1 at D0, the 95% C.L. upper limits on Higgs boson production are factors of 1.56 and 0.68 the values of the SM cross section for a Higgs boson mass of m_H=115 GeV/c^2 and 165~GeVc^2. We exclude, at the 95% C.L., a new and larger region at high mass between 158<m_H<175 GeV/c^2.

研究の動機と目的

• 複数の崩壊モードと解析手法を統合することで、テバトロンにおける標準模型ヒッグス粒子探索の感度を向上させること。
• より多くのデータ、新たなチャネル、洗練された解析手法を用いて、以前のヒッグス探索統合を更新・拡張すること。
• 最新の理論的および実験的入力を用いて、広い質量範囲にわたるヒッグス粒子生成断面積の最も厳密な上限を設定すること。
• 95%信頼水準で、これまでに探索されていなかった高質量ヒッグス領域（158–175 GeV/c²）を除外できること。
• 129の相互に排他的な最終状態にわたり、感度重み付きの統合光度と高度な多次元識別子を組み込むことで、探索の堅牢性を高めること。

提案手法

• ヒッグス崩壊モード（H→bb、WW、ττ、γγ、およびVH関連生成）にわたる129の相互に排他的な解析サブチャネル（CDFが56、D0が73）の結果を統合する。
• 各チャネルが最終的な上限に与える寄与度を反映するために、感度重み付きの統合光度平均（低質量域で5.8 fb⁻¹、高質量域で6.0 fb⁻¹）を用いる。
• 信号とバックグラウンドの分離を向上させるために、ランダムフォレスト、ブーストされた意思決定木、ベイズ的ニューラルネットワーク、および行列要素法を含む多次元解析手法を適用する。
• gg→Hおよび他の生成モードの理論的断面積と、更新されたパートン分布関数を組み込み、標準模型予測との比較を改善する。
• プロファイル尤度比検定を用いた統一的な上限設定手順を実施し、システムティックな不確実性を詳細な誤差予算化によって伝搬させる。
• 各崩壊モードとチャネルに対して、重複カウントを回避し統計的独立性を保つために、別個で直交する解析カテゴリを設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大6.7 fb⁻¹のデータを用いた場合、テバトロンにおける標準模型ヒッグス粒子生成断面積の最も厳しい上限は何か？
• RQ2 新たな崩壊チャネルと洗練された解析手法の導入が、ヒッグス探索の感度を顕著に向上させられるか？
• RQ3 これまでに探索されていなかった質量領域が、今やより高い信頼水準で除外可能になっているか？
• RQ4 更新された理論的入力（PDF、断面積）が、観測された上限の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 特にジェットエネルギー、bタグイング、トリガ効率に関するシステムティックな不確実性が、最終的な除外上限にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• ヒッグス粒子質量が115 GeV/c²のとき、95%信頼水準での生成断面積上限は、標準模型予測の1.56倍である。
• 165 GeV/c²のとき、95%信頼水準での上限は標準模型断面積の0.68倍であり、感度の顕著な向上を示している。
• 158–175 GeV/c²の間で、これまでに除外されていなかった新たな領域が95%信頼水準で除外された。これはテバトロンのヒッグス探索の到達範囲を拡大した。
• 低二レプトン質量チャネル（H→WW）や、更新されたee/µµ/µµtrk/eeICRチャネルなどの新たなサブチャネルの導入により、mH = 120 GeVにおける信号受容率が10%向上した。
• システムティックな不確実性は慎重に評価され、伝搬された。主な寄与要因はジェットエネルギースケール、PDF、およびレプトン識別効率であった。
• 洗練された解析手法と拡大されたデータカバレッジのおかげで、本研究の組み合わせは、以前のテバトロンのヒッグス探索統合よりも高い感度を達成した。