[論文レビュー] Exotic Higgs Decay h to 2a at the International Linear Collider: a Snowmass White Paper

Tao Liu, C. T. Potter|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、次に最小の超対称標準模型（NMSSM）における、国際線形衝突機器（ILC）が、$ h \to a_1 a_1 \to \tau\bar{\tau}\tau\bar{\tau} $ という異常なヒッグス崩壊に対して感受性を示すかどうかを調査している。ILCはクリーンな環境と高精度な再構成を備えているため、高い有意水準でこの崩壊を発見可能であるのに対し、LHCは高積層条件下でのバックグラウンド汚染と $\tau$-ジェット同定の問題で深刻な課題に直面する。

ABSTRACT

A Higgs factory like the International Linear Collider (ILC) can play a significant role in searching for exotic decays of Higgs bosons. As an illustration, we investigate the ILC sensitivity for the decay topology $h o a_1 a_1 o τ\bar ττ\bar τ$ in the Next-to-Minimal-Supersymmetric-Standard-Model (NMSSM). Here $h$ can be either Standard-Model-like or non-standard, and $a_{1}$ is the lightest CP-odd Higgs boson. We also compare results to expectations for this channel at the LHC.

研究の動機と目的

• ILCがNMSSM枠組み内での異常ヒッグス崩壊、特に $ h \to a_1 a_1 \to \tau\bar{\tau}\tau\bar{\tau} $ の発見可能性を評価すること。
• 特に高出力条件下でのLHCと比較して、ILCのこの崩壊チャンネルに対する感受性を評価すること。
• LHCにおけるこの最終状態の検出に伴う課題、特にトリガリング、$\tau$同定、QCDおよびレプトン的バックグラウンドを評価すること。
• ILCが $Z \to \mu^+\mu^-$ および $Z \to e^+e^-$ 同定を用いて $a_1$ ボゾンの質量を高精度で測定できる能力を定量化すること。
• ILCがBr($h \to a_1 a_1$)が10%未満であってもこの崩壊を発見可能であることを示すこと。

提案手法

• 研究では、$ \sqrt{s} = 250 $ GeV と、初期段階で250 fb$^{-1}$、アップグレード後で1150 fb$^{-1}$ の統合された光度を想定し、ILCにおけるSiD検出器のフルデバイスシミュレーションを用いた。
• 信号イベントは、Whizardを用いて生成され、$ h \to a_1 a_1 \to \tau\bar{\tau}\tau\bar{\tau} $ であり、$ a_1 $ は主に $ \tau^+\tau^- $ に崩壊し、$ m_{a_1} \approx 10.3 $ GeV である。
• バックグラウンドは、完全な標準模型（SM）プロセスを用いてシミュレートされ、特に $ 2\mu 2\tau $ 最終状態では、選択後もほとんど残存バックグラウンドがない。
• 信号再構成には、ヒッグスイベントを同定するために $ Z \to \mu^+\mu^- $ 同定が用いられ、$ Z \to e^+e^- $ およびハドロン的 $ Z $ 同定による追加の感度も考慮された。
• 運動量的カットとイベント選択が、$ \tau $-ジェット同定に最適化されており、特に高エネルギーで凝集した $ \tau $ 対（$ \Delta R \approx 0.5 $）に特に注意を払った。
• LHCの分析では、Pythia8を用いたイベント生成と、Delphesを用いた高速シミュレーションが用いられ、$ \tau $ 同定とバックグラウンド抑制の課題に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、NMSSMにおいて、$ h \to a_1 a_1 \to \tau\bar{\tau}\tau\bar{\tau} $ という異常ヒッグス崩壊を高い有意水準で発見可能か？
• RQ2 特に $ \tau $-ジェット再構成と積層効果に関して、LHCがこの最終状態を検出するにあたり直面する主な実験的課題は何か？
• RQ3 この崩壊モードに関して、ILCのクリーンな環境と高精度な同定能力が、LHCと比較して感受性をどのように向上させるか？
• RQ4 ILCにおける $ a_1 $ ボゾンの質量分解能はどの程度であり、光度アップグレードによってどのように向上するか？
• RQ5 ミューオン、電子、またはハドロン的 $ Z $ 同定による $ Z $-タグは、信号対バックグラウンド比と発見可能性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 初期のILC運転（250 fb$^{-1}$）後、実験は標準模型に類似したヒッグス（$ h_{125} = h_2 $）と非標準的ヒッグス（$ h_1 $、$ m_{h_1} = 91.6 $ GeV）の両方を、$ h \to a_1 a_1 \to \tau\bar{\tau}\tau\bar{\tau} $ チャンネルで発見できると予想される。
• 1150 fb$^{-1}$ の統合光度では、ILCは約1691件の信号イベントとほとんど無視できるバックグラウンドを予想し、高有意水準での発見が可能となる。
• 初期運転後、ILCは $ a_1 $ 質量分解能を $ m_{a_1} = 10.329 \pm 0.005 $ GeV に達成するが、光度アップグレードによりさらに向上が見込まれる。
• $ Z \to e^+e^- $ 同定を含めることで、感度は約 $ \sqrt{2} $ 倍向上するが、わずかな効率補正を除けばこのようになる。
• LHCはこのチャンネルで深刻な課題に直面する：高エネルギーで凝集した $ \tau $ 対のトリガリングは困難であり、$ b\bar{b} $ および $ c\bar{c} $ バックグラウンドの抑制が困難である。
• LHCの現在の $ \tau $-同定技術では、$ \Delta R \approx 0.5 $ の $ \tau $ 対を解像することが不十分であり、高積層条件下でもこの構成を正当化した手法は存在しない。