[論文レビュー] Discovering an Invisibly Decaying Higgs at Hadron Colliders

Hooman Davoudiasl, Tao Han+1 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Dec 18, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCおよびテバトロンにおける、見えない崩壊を示すヒッグスボソン（h_inv）の発見可能性を、3つの生成過程（Z+h_inv、弱いボソン融合（WBF）、h_inv+j）を通じて調査する。LHCにおけるZ+h_inv過程では、10 fb⁻¹のデータで120 GeVのh_invに対して5σの発見が可能であり、Z+h_invとWBFを組み合わせることで、10 fb⁻¹のデータで35–50 GeVの不確実性を伴ってモデルに依存しないヒッグス質量の決定が可能である。

ABSTRACT

A Higgs boson lighter than 2 m_W that decays mostly into invisible channels (e.g., dark matter particles) is theoretically well-motivated. We study the prospects for discovery of such an invisible Higgs, h_inv, at the LHC and the Tevatron in three production modes: (1) in association with a Z, (2) through Weak Boson Fusion (WBF), and (3) accompanied by a jet. In the Z+h_inv channel, we show that the LHC can yield a discovery signal above 5 sigma with 10 fb-1 of integrated luminosity for a Higgs mass of 120 GeV. With 30 fb-1 the discovery reach extends up to a Higgs mass of 160 GeV. We also study the extraction of the h_inv mass from production cross sections at the LHC, and find that combining WBF and Z+h_inv allows a relatively model-independent determination of the h_inv mass with an uncertainty of 35-50 GeV (15-20 GeV) with 10 (100) fb-1. At the Tevatron, a 3 sigma observation of a 120 GeV h_inv in any single channel is not possible with less than 12 fb-1 per detector. However, we show that combining the signal from WBF with the previously-studied Z+h_inv channel allows a 3 sigma observation of h_inv with 7 fb-1 per detector. Because of overwhelming irreducible backgrounds, h_inv+j is not a useful search channel at either the Tevatron or the LHC, despite the larger production rate.

研究の動機と目的

• ダークマターおよびスーパーシンメトリー理論モデルにおける理論的動機付けを踏まえ、LHCおよびテバトロンにおける見えない崩壊を示すヒッグスボソン（h_inv）の発見可能性を評価すること。
• 現実的な検出器およびバックグラウンド条件下で、Z+h_inv、弱いボソン融合（WBF）、h_inv+jの3つの生成モードを評価すること。
• Z+h_invおよびWBFの生成過程が、生成断面積に依存しないヒッグス質量抽出を可能にするかどうかを検証すること。
• 大きな不確実なバックグラウンドが存在するにもかかわらず、h_inv+jが発見チャンネルとして有効かどうかを評価すること。
• 実験およびチャンネルごとに、3σおよび5σの発見に必要な光度を定量化すること。

提案手法

• Z+h_invイベントの検出に特化したモンテカルロシミュレーションと運動量カットを用い、高いE_Tのジェットと分離したレプトンを要件とする、欠落運動量（pT/）を伴うイベントを抽出する。
• 主なバックグラウンド（WW、Z+jets、Z→νν+jets）を抑制するため、特にh_inv+jチャンネルで厳密なカットを適用する。
• Z+h_inv信号を標準模型（SM）の生成断面積と100%の見えない崩壊分岐比でモデル化し、非SMの状況では式（13）および（14）を用いて結果をスケーリングする。
• LHCにおけるZ+h_invおよびWBF断面積を組み合わせ、生成断面積およびBR_invに依存しないヒッグス質量の抽出を可能にする。これは、生成率の比を用いることで両者の依存性を相殺する。
• Z+h_invイベントにおけるpT/分布を質量に敏感な観測量として評価し、h_inv質量が大きいほど平均的なpT/が大きくなることを示す。
• 2つのテバトロン検出器における統合解析を実施し、Z+h_invおよびWBFチャンネルを組み合わせることで、1検出器あたり7 fb⁻¹のデータで3σの観測が達成可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるZ+h_invチャンネルは、統合光度10 fb⁻¹で120 GeVの見えないヒッグスを5σで発見可能か？
• RQ2 LHCにおけるZ+h_invチャンネルで、30 fb⁻¹のデータで5σ発見が可能なヒッグス質量の上限はどの程度か？
• RQ3 LHCにおけるZ+h_invおよびWBF生成チャンネルの組み合わせにより、モデルに依存しない見えないヒッグス質量の決定が可能か？
• RQ4 大きな不確実なバックグラウンドが存在するにもかかわらず、h_inv+jチャンネルはLHCまたはテバトロンにおける見えないヒッグスの発見に有効か？
• RQ5 テバトロンは、1検出器あたり7 fb⁻¹のデータで、Z+h_invおよびWBF信号を組み合わせることで120 GeVのh_invを3σで観測可能か？

主な発見

• LHCでは、統合光度10 fb⁻¹のデータで、120 GeVの見えないヒッグスがZ+h_invチャンネルで5σの発見が可能である。
• 30 fb⁻¹のデータで、LHCのZ+h_invチャンネルにおける発見領域は160 GeVまで拡張される。
• LHCにおけるZ+h_invおよびWBF生成の組み合わせにより、10 fb⁻¹のデータで35–50 GeVの不確実性を伴って、モデルに依存しないh_inv質量の決定が可能である。
• 統合光度100 fb⁻¹のデータでは、h_inv質量抽出の不確実性が15–20 GeVに改善される。
• テバトロンでは、1検出器あたり7 fb⁻¹のデータで、Z+h_invおよびWBFチャンネルを組み合わせることで、120 GeVのh_invに対して3σの観測が可能であるが、個々のチャンネルでは達成できない。
• Z→νν+jのバックグラウンドが圧倒的であるため、LHCおよびテバトロンの両方において、h_inv+jチャンネルは発見に不適切である。