[論文レビュー] HIGGS BOSON PRODUCTION IN $e^+ e^- o \mu^+ \mu^- b \bar b$

G. Montagna, O. Nicrosini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 1995

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、将来のコライダーにおける $e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ におけるヒッグスボソン生成のためのモンテカルロイベントジェネレータを提示する。すべての木レベルの標準模型のダイアグラムを計算し、初期状態のQED放射をリーディングロッグ近似で含む。主な貢献は、軽いヒッグス質量 ($M_H \leq 100$ GeV) の場合、中心系エネルギーが低い範囲でヒッグス信号が最も明確に識別可能であることを示す正確なシミュレーションであり、$b\bar{b}$ のインバリアント質量および角度分布に明確な運動的特徴があることである。

ABSTRACT

The production of the Standard Model Higgs boson in the four-fermion reaction $e^+ e^- o \mu^+ \mu^- b \bar b$ is studied. The complete tree-level matrix element, including signal and backgrounds in the standard electroweak theory, is computed and initial state radiation is taken into account in the leading-log approximation. A Monte Carlo event generator has been built and numerical results for some distributions of experimental interest for the search of the Higgs particle at future electron-positron colliders are shown, compared with those existing in the literature and commented.

研究の動機と目的

• 電子・陽電子コライダーにおける $\mu^+\mu^-b\bar{b}$ の4フェルミオン最終状態におけるヒッグスボソン生成のための専用モンテカルロイベントジェネレータの開発。
• 信号およびバックグラウンドの寄与を含む、すべての木レベルの標準模型のダイアグラムを完全に整合的な計算で組み込むこと。
• 現実的な放射修正のシミュレーションのため、リーディングロッグ近似で初期状態のQED放射を組み込むこと。
• 特にバックグラウンドが存在する中でのヒッグスボソンの同定に向けた、実験的解析のための詳細な運動的分布の提供。

提案手法

• イベントジェネレータは、25個の木レベルのダイアグラム（信号：HZ、tチャネル：ZZ、Zγ、γγ、sチャネルの放射過程）の完全なセットを計算する。
• 運動的計算には、7つの独立な次元なし変数と、実験フレームでのフェーズ空間再構成を用いる。
• 初期状態放射は、QED構造関数を用いて扱い、リーディングロッグ近似でソフトおよび衝突近接補正を因子分解する。
• ハード散乱断面積は、パートン分布関数に類似した関数とハード核断面積の9重畳み込みとして計算される。
• 赤外線に敏感な領域、プロパゲーター特異点（特にヒッグス）およびヤコビアンのピークに対処するため、変数変換を用いた重要度サンプリングを適用する。
• 乱数生成には RANLUX を、振幅計算にはヘリシティ形式内での SCHOONSCHIP を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期状態放射は、LEP2およびNLCエネルギーにおける $e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ の全断面積および信号対バックグラウンド比にどのように影響するか？
• RQ2 インバリアント質量、角度分布などの運動的分布のうち、どの分布がZZ、Zγ、γγバックグラウンドからヒッグス信号を最もよく分離できるか？
• RQ3 干渉項およびsチャネルの放射過程が全断面積にどの程度寄与するか？
• RQ4 ヒッグス質量が $b\bar{b}$ インバリアント質量分布における信号ピークの形状と可視性にどのように影響するか？
• RQ5 この最終状態において、軽いヒッグスボソン（$M_H \leq 100$ GeV）を検出する最適な中心系エネルギー範囲は何か？

主な発見

• 初期状態放射の影響により、$e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ の全断面積はピーク高さが約10％低下し、300 GeV以上でやや強い放射テールが見られる。
• $M_H \leq 100$ GeV の場合、信号対失敗比 $\sigma_s/\sigma_f$ は低い中心系エネルギーで最も有利となり、ヒッグスの可視性が向上する。
• $b\bar{b}$ インバリアント質量分布には、$M_H$ および $M_Z$ の2つの明確なピークが現れ、ヒッグスピークはその非常に狭い幅のためデルタ関数に近い形状を示す。
• 軽いヒッグス質量では、$b$ クォークの角度分布は等方的であり、スピン0の性質を反映しているが、$M_H$ が増加するにつれて非等方的になる。
• $b\bar{b}$ 相対角度分布には2つのピーク構造が現れ、ヒッグス信号からの主要なピークは中間的な $\cos\vartheta_{b\bar{b}}$ に位置し、$\gamma\gamma$ および $\gamma Z$ ダイアグラムにおける $\gamma \to b\bar{b}$ による小さなピークは $\cos\vartheta_{b\bar{b}} \approx 1$ に現れる。
• 光子エネルギー分布には、初期状態放射に起因する低エネルギーのピークが現れ、これは主に軟光子の多量放出に起因する。