[論文レビュー] Measurements of $γγ o \mbox{Higgs}$ and $γγ o W^{+}W^{-}$ in $e^{+}e^{-}$ collisions at the Future Circular Collider

D. d’Enterria, P. Rebello Teles+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、未来の円形衝突型加速器（FCC-ee）におけるe⁺e⁻衝突において、等価光子近似を用いて二光子ヒッグスボソン生成およびW⁺W⁻対生成の可能性を調査している。ビームに1°以内の散乱電子を近ビーム検出器でマークすることにより、√s = 240 GeVで約75個の信号イベントを伴い5σの観測が可能であるγγ → ヒッグスを示し、350 GeVで最大6,600個のW⁺W⁻対が得られ、現在のLHCの制限に比べて異常な四次ゲージ結合定数の制限が2〜10倍改善可能である。

ABSTRACT

The measurements of the two-photon production of the Higgs boson and of $W^{\pm}$ boson pairs in $e^{+}e^{-}$ collisions at the Future Circular Collider (FCC-ee) are investigated. The processes $e^{+}e^{-}\xrightarrow{γγ}e^+\,{ m H}\,e^-,e^+\,{ m W^+W^-}\,e^-$ are computed using the effective photon approximation for electron-positron beams, and studied in their ${ m H} o b\bar{b}$ and ${ m W^+W^-} o 4j$ decay final-states including parton showering and hadronization, jet reconstruction, $e^\pm$ forward tagging, and realistic experimental cuts. After selection criteria, up to 75 Higgs bosons and 6600 $ m W^{\pm}$ pairs will be reconstructed on top of controllable continuum backgrounds at $\sqrt{s} = $240 and 350 GeV for the total expected integrated luminosities, by tagging the scattered $e^\pm$ with near-beam detectors. A 5$σ$ observation of $γγ o$H is thereby warranted, as well as high-statistics studies of triple $ m γWW$ and quartic $ m γγWW$ electroweak couplings, improving by at least factors of 2 and 10 the current limits on dimension-6 anomalous quartic gauge couplings.

研究の動機と目的

• FCC-eeにおけるb¯b崩壊モードを用いた二光子ヒッグスボソン生成の観測可能性を評価すること。
• FCC-eeにおけるγγ融合を介したW⁺W⁻対の完全ハドロン的4ジェット終状態での生成を調査すること。
• 現在のLHCの制限を上回る次元6異常四次ゲージ結合定数（aQGC）の制限を強化すること。
• 近ビーム検出器における電子マークの影響が信号受容率およびバックグラウンド抑制に与える影響を評価すること。
• 標準模型電弱相互作用領域の精密検証を可能にするγγ → Hおよびγγ → W⁺W⁻の高統計的研究を可能にすること。

提案手法

• 散乱e⁺e⁻およびパートンシャワーリング・ハドロン化を正確な運動学的条件で記述するsuperchic 2.04およびpythia 8.226を用いたイベント生成。
• Q² < 2 GeV²のe⁺e⁻ビームからの準実光子フラックスをモデル化するための等価光子近似（EPA）の適用。
• pT > 10 GeV、|η| < 2.5、および∆Rjj > 0.4の条件を課したkTおよびDurhamアルゴリズムを用いたジェット再構成。
• W⁺W⁻ → 4jの信号対バックグラウンド比を向上させるために、mjj ≈ 76.5–84.5 GeVの条件を含む運動学的選別基準の適用。
• γγ融合イベントの同定および受容率の向上のため、ビーム線から1°以内の近ビーム領域におけるe⁺およびe⁻のマークの実装。
• pythia 6/8およびfastjetを用いた、誤マーク効率およびジェットエネルギー分解能を含む現実的な検出器効果のシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeにおいて、e±マークとb¯b終状態を用い、√s = 240 GeVでγγ → ヒッグス生成が5σの有意性で観測可能か？
• RQ2 √s = 240および350 GeVで、現実的な検出器カットおよびe±マークを適用した場合、γγ → W⁺W⁻ → 4jの期待イベント数はどの程度か？
• RQ3 γγ → W⁺W⁻過程がLHCの結果に比べ、次元6異常四次ゲージ結合定数の制限をどの程度改善できるか？
• RQ4 ビーム線から1°以内の近ビーム領域におけるe±マークは、γγ融合過程の受容率および信号可視性にどのように影響するか？
• RQ5 e⁺e⁻衝突におけるγγ → Hおよびγγ → W⁺W⁻の主なバックグラウンドは何か、そしてそれらはどの程度効果的に抑制可能か？

主な発見

• √s = 240 GeV、積分 luminosity 5 ab⁻¹の条件下で、γγ → H → b¯bを介したヒッグスボソンの再構成は約75個が予想され、選別後には5σの観測が可能である。
• √s = 350 GeV、5 ab⁻¹の条件下で、運動学的カットを適用した後、4ジェット終状態に最大6,600個のW⁺W⁻対が再構成されると予想される。
• ジェットの横運動量、準垂直度、および二重ジェットインvariant質量にカットを適用することで、γγ → W⁺W⁻ → 4jの信号対バックグラウンド比は顕著に向上する。
• ビーム線から1°以内の近ビーム領域におけるe⁺およびe⁻のマークにより、√s = 240 GeVで受容率が95%、350 GeVで98.5%に向上し、信号可視性が顕著に向上する。
• FCC-eeにおけるγγ → W⁺W⁻の測定により、現在のLHCの制限に比べ、パラメータa₀^W/Λ²およびa₀^c/Λ²の次元6異常四次ゲージ結合定数の制限が少なくとも2倍から10倍改善可能である。
• 予備的な研究では、FCC-eeにおけるγγ → W⁺W⁻過程が、√s = 240 GeV、5 ab⁻¹の条件下で、aQGCパラメータの1σおよび2σの制限をそれぞれ(-0.47; +0.47) × 10⁻⁶ GeV⁻²に達することが示唆されている。