[論文レビュー] Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb-1 of Data

Tevatron New Phenomena, R. C. Group|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、√s = 1.96 TeVの陽子-陽バリオン衝突からのCDFおよびDØデータの統合解析を提示する。最大4.2 fb⁻¹の統合光度を用いて、標準模型ヒッグス粒子の生成に対する上限を設定した。WH→τνbb̄、VH→ττbb̄、t̄tH→t̄tbb̄といった新しい崩壊チャネルを組み込み、改良された手法を用いて既存のチャネルを再解析することで、mH = 165 GeV/c²における95%信頼水準の上限がSM断面積の0.86倍にまで低下し、除外される質量範囲が160–170 GeV/c²に拡張された。

ABSTRACT

We combine results from CDF and D0 on direct searches for a standard model (SM) Higgs boson (H) in ppbar collisions at the Fermilab Tevatron at sqrt{s}=1.96 TeV. Compared to the previous Higgs Tevatron combination, more data and new channels (WH to tau nu b bbar, VH to tau tau b bbar/jj tau tau,VH to jj b bbar, t tbar H to t tbar b bbar) have been added. Most 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 2.0-3.6 fb-1 of data analyzed at CDF, and 0.9-4.2 fb-1 at D0, the 95% C.L. upper limits on Higgs boson production are a factor of 2.5 (0.86) times the SM cross section for a Higgs boson mass of m_H=115 (165) GeV/c^2. Based on simulation, the corresponding median expected upper limits are 2.4 (1.1). The mass range excluded at 95% C.L. for a SM Higgs has been extended to 160

研究の動機と目的

• フェルミラブ加速器における標準模型ヒッグス粒子の直接探索における感度を向上させるために、CDFおよびDØ実験の結果を統合すること。
• 新しい崩壊チャネルと再解析されたデータを組み込むことで、以前の限界を超えてヒッグス粒子の除外質量範囲を拡大すること。
• 最新の部分子分布関数およびgg→H断面積を含む更新された理論的入力を適用し、SM予測とのより正確な比較を実現すること。
• 多変量解析技術の応用と複数の最終状態におけるバックグラウンド抑制の向上により感度を強化すること。
• ベイズ的手法およびCLₛ手法を用いて、100–200 GeV/c²の全質量範囲にわたるモデルに依存しないヒッグス生成に対する上限を提供すること。

提案手法

• CDFおよびDØの75個の互いに排他的な最終状態（WH→ℓνbb̄、ZH→νν̄bb̄、VH→ττbb̄、t̄tH→t̄tbb̄など）を、2.0–4.2 fb⁻¹の統合光度範囲で統合する。
• 高度な多変量識別子として、運動量変数、bタグ、行列式識別子を用いてトレーニングされたニューラルネットワークおよびブースト木構造（ boosted decision trees）を採用する。
• 上限を設定するために2つの統計的手法（ベイズおよびCLₛ）を用い、排出図作成および有意性評価にはCLₛを用いる。
• 更新された理論的入力（最新の部分子分布関数および量子色力学計算によるgg→H断面積）を適用する。
• τレプトンがハドロン崩壊を介して同定される新しい解析チャネルWH→τνbb̄を導入し、ZH→τν̄bb̄およびVH→ET̄bb̄モードへの感度を向上させる。
• ヒッグス質量範囲全域における観測上限および期待上限を計算するために、プロファイル尤度比検定を用いたグローバル統合を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100–200 GeV/c²の質量範囲にわたり、統合CDFおよびDØ解析がSMヒッグス粒子生成に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ2 WH→τνbb̄およびVH→ττbb̄といった新しい崩壊チャネルは、以前の解析と比較して全体の探索感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 更新されたデータおよび解析手法を用いた場合、95%信頼水準における除外されるヒッグス粒子質量範囲はどの程度か？
• RQ4 観測された上限が、異なるヒッグス質量における期待上限およびSM予測と比較してどのように位置づけられるか？
• RQ5 更新された理論的入力（PDFおよびgg→H断面積）は、上限の解釈にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• mH = 115 GeV/c²におけるSMヒッグス粒子生成に対する95%信頼水準の上限はSM断面積の2.5倍であり、mH = 165 GeV/c²では0.86倍である。
• 質量範囲全体における中央値期待上限は、mH = 115 GeV/c²で2.4、mH = 165 GeV/c²で1.1であり、以前の統合結果に比べ感度が向上していることが示された。
• 観測データに基づき、95%信頼水準での除外されるヒッグス粒子質量範囲は160 < mH < 170 GeV/c²に拡張された。
• CLₛ手法によると、mH = 165 GeV/c²における1-CLₛ分布の最小値は0.81に達し、高質量領域における強力な除外能力が裏付けられた。
• 観測データの対数尤度比（LLR）はmH = 165 GeV/c²で最大値6.60に達し、期待されるバックグラウンドのみの分布を著しく上回った。
• WH→τνbb̄およびVH→ττbb̄といった新しいチャネルの導入により、特に150–170 GeV/c²の範囲で感度が向上し、除外が顕著に強化された。