[論文レビュー] Measurement of the H to ZZ branching fraction at 350 GeV and 3 TeV CLIC

N. Vukašinović, I. Božović-Jelisavčić+6 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CLIC_ILD検出器モデルを用いて、350 GeVおよび3 TeVの中心系エネルギーにおけるヒッグスボソンのbranched fraction ZZ*最終状態について、フルシミュレーションスタディを提示する。5 ab⁻¹および1 ab⁻¹の統合 luminosityを仮定した場合、3 TeVではσ × BR(H→ZZ*)の相対的統計誤差が3%、350 GeVでは18%で測定可能であることを示している。

ABSTRACT

In this paper we present results of determination of the statistical precision of Higgs branching fraction measurement, for Higgs decay to ZZ$^\ast$ pairs at 3 TeV and 350 GeV CLIC. Measurements are simulated with the CLIC_ILD detector model, taking into consideration all relevant physics and beam-induced background processes. It is shown that the product of the branching fraction BR(${H ightarrow hinspace ZZ^\ast}$) and the Higgs production cross-section can be measured with a relative statistical uncertainty of 3% (18%) at 3 TeV (350 GeV) center-of-mass energy, using semileptonic final states and assuming integrated luminosity of 5 (1) ab$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 350 GeVおよび3 TeVのCLICエネルギーにおけるH→ZZ*分岐比測定の統計的精度を特定すること。
• ビーム由来背景およびビームストラールングの信号再構築および選択効率への影響を評価すること。
• 多変量解析（MVA）およびBDTベースのイベント選択の、主なバックグラウンドからのH→ZZ*信号分離性能を評価すること。
• 現実的なCLIC運用条件下におけるσ × BR(H→ZZ*)積の期待される統計的不確実性を予測すること。
• 異なるエネルギー段階における感度を、ヒッグス生成メカニズムの違い（ヒッグスストラールング対WW融合）を考慮して比較すること。

提案手法

• 350 GeVおよび3 TeVの中心系エネルギーにおけるCLIC_ILD検出器モデルを用いたH→ZZ*崩壊のフルシミュレーション。
• すべての関連物理過程およびビーム由来背景（γγ→qqll、e+e−→qqllν、e+e−→HZでH→WW）を組み込み。
• 再構築されたZボソン質量、ヒッグスインバリアント質量、極座標角、可視エネルギー、およびジェットタグ確率を含む16（3 TeV）および20（350 GeV）の感受性のある観測量を用いたBDT分類器で訓練された多変量解析（MVA）の適用。
• VLCアルゴリズム（R=0.7）を用いたジェット再構築、2つの分離されたレプトン（e±, μ±）、欠落エネルギー、およびイベント選択。
• 有意性Sを用いた統計的不確実性の導出：δ = 1/√S = √(NS + NB)/NS、ここでNSおよびNBは信号およびバックグラウンドイベント数。
• ビームストラールング効果および現実的なluminosityスペクトル（信号効率評価のための1%ピークluminosityを含む）の組み込み。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 TeV CLICにおけるヒッグス生成断面積とBR(H→ZZ*)の積の測定で達成可能な統計的精度は何か？
• RQ2 異なるヒッグス生成メカニズムに起因する350 GeVと3 TeV CLICにおける信号効率およびバックグラウンド抑制性能の違いは何か？
• RQ3 ビーム由来バックグラウンドが、両エネルギー段階におけるH→ZZ*測定の感度をどの程度制限するか？
• RQ4 BDTベースの多変量解析は、3 TeVおよび350 GeVにおける主な不消去可能なバックグラウンドからのH→ZZ*信号分離にどの程度効果的か？
• RQ5 現実的なluminosityおよび検出器条件の下で、σ × BR(H→ZZ*)測定の期待される統計的不確実性は何か？

主な発見

• 3 TeV CLICでは、5 ab⁻¹の統合luminosityを仮定した場合、ヒッグス生成断面積とBR(H→ZZ*)の積は相対的統計誤差3%で測定可能である。
• 350 GeV CLICでは、1 ab⁻¹の統合luminosityを仮定した場合、同様の測定で相対的統計誤差18%が達成される。
• 全選択ステージを経た後の信号効率は、3 TeVで39%、350 GeVで18%であり、350 GeVの低効率は信号率が低い（1 ab⁻¹で約240イベント予想）ことに起因する。
• 3 TeVでは主要な不消去可能なバックグラウンドはγγ→qqll（672イベント選択）であり、350 GeVではe+e−→qqll（10イベント選択）である。
• BDT分類器は信号選択を向上させ、全選択ステップを経た後で3 TeVで59%、350 GeVで23%の効率を達成した。
• 3 TeVでの測定は、先行研究からの予測と整合的であり、シミュレーションフレームワークおよび解析チェーンの妥当性を裏付けた。