[論文レビュー] Interference effects for H --> WW --> lvqq and H --> ZZ --> llqq searches in gluon fusion at the LHC

N. Kauer, Claire O’Brien+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 55被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるグルーオン融合を通じたヒッグスボソンのWWおよびZZ最終状態への崩壊における信号-バックグラウンド干渉効果を検討し、半レプトン的崩壊モードに焦点を当てる。木レベルの $gg \to Vq\bar{q}$ バックグラウンド—$1/e^2$ で増幅される—が、軽いヒッグス質量および重いヒッグス質量の両方において、ループ生成の $gg \to VV$ バックグラウンドよりも干渉を支配することが判明した。これは、高次のQCD効果が主要な干渉寄与を駆動することを示唆し、最適なカット条件下では標準模型ヒッグス（125 GeV）では干渉効果が千分率レベルにまで低減可能であることを意味する。

ABSTRACT

Signal-background interference effects are studied for H --> WW and H --> ZZ searches in gluon fusion at the LHC. More specifically, the interference in the channels with semileptonic weak boson pair decay is analysed for light and heavy Higgs masses with minimal and realistic experimental selection cuts. In the semileptonic decay modes, the interference is affected by tree-level background contributions enhanced by 1/e^2 relative to the gluon-fusion continuum background in the fully leptonic decay modes. We find that for both light and heavy Higgs masses the interference with the loop-induced weak-boson pair background dominates over the interference with the tree-level weak-boson plus jets background for a range of selection cuts. We therefore conclude that higher-order background contributions can induce leading interference effects. With appropriate background suppression cuts the interference can be reduced to the 10% level for heavy Higgs masses, and to the per mille level for the light SM Higgs.

研究の動機と目的

• この論文の目的は、LHCにおけるグルーオン融合を通じたヒッグス崩壊 H→WW および H→ZZ の半レプトン的状態における信号とバックグラウンドの干渉効果を定量することにある。
• 半レプトン的チャネルにおける干渉の系統的取り扱いの欠如に言及し、それらはしばしば完全レプトン的モードに比べて高い生成断面積を示すにもかかわらず、しばしば無視されがちである。
• 本研究は、木レベルの $gg \to Vq\bar{q}$ およびループ生成の $gg \to VV$ バックグラウンドからの干渉寄与を特に評価する。
• 実際の実験的カットの下で、軽いヒッグス質量および重いヒッグス質量におけるこれらの干渉項の相対的な重要性を特定することを目的とする。
• 統合断面積および微分分布への干渉の影響を評価する。特に、ボソンがオフシェル（off-shell）状態にある領域での影響を含む。

提案手法

• 著者らは、$gg \to H \to VV \to \ell\ell q\bar{q}$ および $gg \to H \to VV \to \ell\bar{\nu} q\bar{q}$ の過程について、信号-バックグラウンド干渉を完全に含めた、LO（一次精度）での部分子レベル振幅を計算した。
• 数値的一致性を確認するため、公開ツール $\texttt{gg2VV}$ および $\texttt{MadGraph5~aMC@NLO}$ の2つの独立した実装を用いた。
• 干渉は、ヒッグス信号振幅と、木レベルの $gg \to Vq\bar{q}$ およびループ生成の $gg \to VV$ バックグラウンドの両者と評価された。後者は前者に比べて $1/e^2$ で増幅されている。
• 最小限のカットと現実的な実験的選択カット（レプトンおよびジェットの運動量要件など）を含め、LHCの環境を模擬した。
• ヒッグス共鳴ピークから離れた領域における最終状態のベクトルボソンのインヴァリアント質量 $M_{VV}$ の微分分布を計算し、干渉効果を検証した。
• 干渉寄与の合計が信号断面積に与える影響を、異なるヒッグス質量およびカットスキームの下で比較評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 木レベルの $gg \to Vq\bar{q}$ とループ生成の $gg \to VV$ バックグラウンドは、半レプトン的 H→WW および H→ZZ 崩壊におけるヒッグス信号との干渉において、どのように比較されるか？
• RQ2 軽量（125 GeV）および重い（400 GeV）ヒッグスボソンに対して、これらの2種類のバックグラウンドからの干渉効果の相対的大きさはどの程度か？
• RQ3 現実的な実験的カットは、統合断面積および微分断面積における信号-バックグラウンド干渉の大きさにどのように影響するか？
• RQ4 バックグラウンド抑制カットは、WWおよびZZ半レプトン的チャネルにおける干渉効果をどの程度低減できるか？
• RQ5 オフシェル $M_{VV}$ 領域における干渉の振る舞いはどのようなものか？そして、なぜ排他的解析において重要なのか？

主な発見

• 軽量および重いヒッグス質量の両方において、すべてのカットスキームにおいて、木レベルの $gg \to Vq\bar{q}$ バックグラウンドとの干渉が、ループ生成の $gg \to VV$ バックグラウンドとの干渉を支配する。
• 木レベルのバックグラウンドがループ生成のものに比べて $1/e^2$ で増幅されることにより、その干渉寄与が信号領域で主要な寄与となる。
• 標準模型ヒッグス（125 GeV）では、適切なバックグラウンド抑制カットを用いることで、統合断面積に対する干渉効果は千分率レベルにまで低減可能である。
• 400 GeV ヒッグスボソンでは、効果的なバックグラウンド抑制カットにより、干渉効果を10％以下にまで低減できる。
• オフシェル $M_{VV}$ 領域では、干渉効果が信号自体を上回り、排他的または微分解析に含まれる必要がある。
• 排他的選択条件下では、正と負の干渉寄与の部分的キャンセルが一般的に発生しないため、高精度な研究において干渉を安全に無視することはできない。