[論文レビュー] Higgs-boson production at the Photon Collider at TESLA

Piotr Niezurawski|ArXiv.org|Mar 31, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、TESLA光子衝突型加速器における $γ\gamma \to h \to b\bar{b}$ を通じたヒッグス粒子生成断面積の正確な測定可能性を評価する。実際の検出器効果、ビームダイナミクス、およびすべての主要な背景（オーバーレイイベントを含む）を組み込んだ、新しいOrlopシミュレーションパッケージを用いる。1年間の運転により、標準模型のヒッグス粒子断面積は2.1–7.7%の統計的精度で測定可能であり、$\Gamma(h\to\gamma\gamma)$ の部分幅は2%の系統的不確かさで測定可能である。

ABSTRACT

In this thesis feasibility of the precise measurement of the Higgs-boson production cross section gamma+gamma->higgs->b+bbar at the Photon Collider at TESLA is studied in detail. The study is based on the realistic luminosity spectra simulation. The heavy quark background is estimated using the dedicated code based on NLO QCD calculations. Other background processes, which were neglected in the earlier analyses, are also studied. Also the contribution from the overlaying events, gamma+gamma->hadrons, is taken into account. The non-zero beam crossing angle and the finite size of colliding bunches are included in the event generation. The analysis is based on the full detector simulation with realistic b-tagging, and the criteria of event selection are optimized separately for each considered Higgs-boson mass. For the Standard-Model Higgs boson with mass of 120 to 160 GeV the partial width Γ(h->gamma+gamma)BR(h->b+bbar) can be measured with a statistical accuracy of 2.1-7.7% after one year of the Photon Collider running. The systematic uncertainties of the measurement are estimated to be of the order of 2%. For MSSM Higgs bosons A and H, for M_A=200-350 GeV and tan(beta)=7, the statistical precision of the cross-section measurement is estimated to be 8--34%, for four considered MSSM parameters sets. As heavy neutral Higgs bosons in this scenario may not be discovered at LHC or at the first stage of the e+e- collider, an opportunity of being a discovery machine is also studied for the Photon Collider.

研究の動機と目的

• TESLA光子衝突型加速器におけるヒッグス粒子生成断面積の正確な測定可能性を評価すること。
• 特にビームダイナミクス、検出器応答、背景過程など、これまでの解析で無視されがちな、すべての関連する実験的および理論的効果を考慮すること。
• オーバーレイイベント（$\gamma\gamma \to \text{ハドロン}$）がインバリアント質量分解能および信号抽出に与える影響を評価すること。
• 1年間の運転後の、標準模型ヒッグス粒子（120–160 GeV）および重いMSSMヒッグス粒子（200–350 GeV）の統計的および系統的精度を特定すること。
• 光子衝突型加速器が、LHC や初期 $e^+e^-$ 阶段では到達できない重い中性ヒッグス粒子を発見するための可能性を検討すること。

提案手法

• 有限バッチサイズおよび非ゼロのビーム交差角を含む詳細なビームパラメータを用いて、現実的な $\gamma\gamma$-光度スペクトルをシミュレートする。
• オーバーレイイベント（$\gamma\gamma \to \text{ハドロン}$）をモデル化するための専用イベントジェネレータであるOrlopを実装し、可変なビームエネルギーと現実的な光度スペクトルを用いてPythiaを用いる。
• 重クォーク背景（$\gamma\gamma \to b\bar{b}(g)$）に対する高次のQCD補正をNLO QCD計算を用いて組み込む。
• 実際の $b$-タギング効率および分解能を含むフル検出器シミュレーションを実施し、エネルギー・フロー対象およびジェットの再構成を含む。
• 各ヒッグス粒子質量点に最適化された運動量的、トポロジカルおよび $b$-タギングカットを適用し、信号対背景比を最大化する。
• コンプトンバックスキャッタリングのための最大光子エネルギーおよびビームエネルギースペクトルを計算するために、CompAZプログラムを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TESLA光子衝突型加速器において、ヒッグス粒子生成断面積 $\sigma(\gamma\gamma \to h \to b\bar{b})$ は10%未満の統計的精度で測定可能か？
• RQ2 オーバーレイイベント（$\gamma\gamma \to \text{ハドロン}$）は、$b\bar{b}$ 終状態におけるインバリアント質量分解能および信号抽出にどのように影響するか？
• RQ3 $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$\tau^+\tau^-$、および軽いクォーク対といった、無視されがちな背景過程が、測定精度に与える影響は何か？
• RQ4 どの程度の高精度で部分幅 $\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ を抽出可能か？また、主な系統的不確かさ要因は何か？
• RQ5 LHC や初期 $e^+e^-$ ランで到達できない重い中性ヒッグス粒子（例：MSSMの $A$, $H$）を発見するための光子衝突型加速器の可能性は何か？

主な発見

• 標準模型ヒッグス粒子（120–160 GeV）では、1年間のデータ取得後、$\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ とその branching ratio $\text{BR}(h \to b\bar{b})$ の積が2.1–7.7%の統計的精度で測定可能である。
• 測定における系統的不確かさは2%程度と推定され、主に検出器キャリブレーションおよび光度決定に起因する。
• オーバーレイイベントによるインバリアント質量分解能の低下や顕著な背景寄与にもかかわらず、最適化されたイベント選別およびフル検出器シミュレーションのおかげで、信号は依然として測定可能である。
• $M_A = 200–350$ GeV および $\tan\beta = 7$ のMSSMヒッグス粒子 $A$ および $H$ に対しては、4つの異なるパラメータセットについて、断面積測定精度が8–34%と推定された。
• 本研究は、TESLAの光子衝突型加速器が、LHC や初期 $e^+e^-$ カラムでは到達できない重い中性ヒッグス粒子の発見装置として機能可能であることを確認した。
• Orlopパッケージは、可変なビームエネルギーおよび現実的な光度スペクトルを用いてオーバーレイイベントを正確にモデル化でき、論文公開後に公開可能となった。