[論文レビュー] Intermediate-Mass Higgs Searches in Weak Boson Fusion

David L. Rainwater|ArXiv.org|Aug 17, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける中間質量ヒッグス粒子の探索において、弱いボソン融合（WBF）を強力な探索チャネルとして提案し、$H\to\gamma\gamma$、$H\to W^{(*)}W^{(*)}$、$H\to\tau^+\tau^-$ の崩壊が、わずかな光度（$H\to\gamma\gamma$ では40–50 fb$^{-1}$、$H\to W^{(*)}W^{(*))}$ では2–10 fb$^{-1}$）で $S/B > 1$ かつ $5\sigma$ 発見を達成できることを示している。また、$H\to\tau\tau$ を通じたヒッグス-フェルミオン結合定数の直接測定に向け、WBFを重要なツールとして確立し、LEP2の探査範囲を超えるMSSMパラメータ空間をカバーする。

ABSTRACT

Weak boson fusion is a copious source of intermediate mass Higgs bosons at the LHC. The additional very energetic forward jets in these events are powerful background suppression tools. I analyze the decays H -> gamma gamma and H -> W^(*)W^(*) -> e mu pTmiss, with the latter a potential discovery channel, and the decay H -> tau tau -> lep had pTmiss as a method for achieving the first direct measurement of a Higgs-fermion coupling. I perform parton level analyses of the signal and dominant backgrounds for each decay mode, and demonstrate kinematic cuts and other important tools neccessary to achieve an S/B > 1/1 rate in all cases. I also perform cross section calculations with additional gluon emission which provide an estimate of a minijet veto probability. I show that a 5 sigma H -> gamma gamma observation can be made for 110 GeV < M_H < 150 GeV with modest luminosity, order 40-50 fb^-1, overlapping the region explored by the CERN LEP and Fermilab Tevatron. For 130 GeV < M_H < 200 GeV, I show that H -> WW can achieve a 5 sigma observation with S/B much greater than 1/1 with extremely low luminosity, about 2-10 fb^-1 over almost the entire range. This is the most promising search channel in the 130-200 GeV mass range. It overlaps the H -> gamma gamma region and nicely complements the H -> WW measurement that can be made with very low luminosity in inclusive gg -> H production. I further show that a Higgs-fermion coupling can be directly measured via the H -> tau tau decay with only about 60 fb^-1.

研究の動機と目的

• 中間質量ヒッグス粒子の弱いボソン融合（WBF）における高感度探索戦略の開発と評価。
• ヒッグス信号検出における主要なQCDおよび電弱背景の抑制という課題に対処する。
• WBFにおける $H\to\tau^+\tau^-$ 崩壊を介したヒッグス-フェルミオン結合定数の初回直接測定を可能にする。
• 複数の崩壊モードにおける $5\sigma$ 発見のための必要な光度および運動学的カットを特定する。
• 特にMSSMパラメータ空間において、LEP2およびテバトロンの限界を超えてヒッグス探索の範囲を拡大する。

提案手法

• $H\to\gamma\gamma$、$H\to W^{(*)}W^{(*)}$、$H\to\tau^+\tau^-$ 崩壊におけるWBFの信号および背景断面積を、パートンレベルのモンテカルロシミュレーションでモデル化する。
• 運動学的カットおよびジャケットベースのツール（特にミニジェット遮断）を適用し、QCDおよび電弱背景を抑制する。
• MadGraphを用いて、パートンレベルでの信号および背景過程の行列要素を生成する。
• 追加のグルーオン放射を含めた断面積を計算し、ミニジェット遮断確率を推定する。
• ポissonベースの有意確率計算を適用し、各崩壊チャネルにおける $5\sigma$ 発見の到達範囲を決定する。
• 30 fb$^{-1}$ を超える光度においては、積み重ね効果を0.8の効率係数で補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WBFにおける $H\to\gamma\gamma$ 崩壊は、110 < $M_H$ < 150 GeV の範囲で、わずかな光度（40–50 fb$^{-1}$）で $5\sigma$ 発見を達成できるか？
• RQ2 WBFにおける $H\to W^{(*)}W^{(*)}$ 崩壊は、130–200 GeV の範囲で極めて低い光度（2–10 fb$^{-1}$）でも $S/B \gg 1$ を達成し、$5\sigma$ 発見を可能にするか？
• RQ3 WBFにおける $H\to\tau^+\tau^-$ 崩壊は、約60 fb$^{-1}$ の光度でヒッグス-フェルミオン結合定数の直接測定を可能にするか？
• RQ4 WBFチャネルは、インクルーシブ $gg\to H$ 生産とどのように補完し合うか？特にMSSMヒッグスパラメータ空間をカバーする上で。
• RQ5 MSSMパラメータ空間全体、特に両方のヒッグス粒子 $h$ と $H$ が軽く、混合効果が顕著な遷移領域において、$h/H\to\tau\tau$ のWBFにおける $5\sigma$ 発見の到達範囲は何か？

主な発見

• 低機械光度下で、110 < $M_H$ < 150 GeV の範囲における $H\to\gamma\gamma$ の $5\sigma$ 観測が、たった40–50 fb$^{-1}$ の統合光度で達成可能である。
• 130 < $M_H$ < 200 GeV の範囲では、WBFにおける $H\to W^{(*)}W^{(*))}$ が、わずか2–10 fb$^{-1}$ の光度で $S/B \gg 1$ を達成し、この質量範囲で最も有望なチャネルである。
• WBFにおける $H\to\tau^+\tau^-$ 崩壊は、約60 fb$^{-1}$ の光度でヒッグス-フェルミオン結合定数の直接測定を可能にする。
• $h/H\to\tau\tau$ のWBFにおける $5\sigma$ 発見の等高線は、両方のヒッグス粒子 $h$ と $H$ が軽く、混合効果が顕著な遷移領域を含む広範なMSSMパラメータ空間をカバーする。
• WBFにおける $H\to\tau\tau$ 探索は、$\tau\tau$ 崩壊が支配的で $\gamma\gamma$ が抑制される領域をカバーするという点で、$H\to\gamma\gamma$ と補完的である。
• WBFにおける $H\to\gamma\gamma$ と $H\to\tau\tau$ の探索の組み合わせは、MSSMヒッグス粒子を発見するための「負けなし」の戦略を提供し、失敗したLEP2探索後に残されたパラメータ空間全体をカバーする。