[論文レビュー] Model Independent Determination of $HWW$ coupling and Higgs total width at ILC

Claude Dürig, H. Fujii+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、250 GeVおよび500 GeVでの$e^+e^-$衝突を用い、国際線形加速器（ILC）においてヒッグスボソンの全幅およびHWW結合定数のモデルに依存しない決定を提示する。$WW$融合生成過程$e^+e^- \to \nu\bar\nu H$に続く$H \to b\bar b$および$H \to WW^*$を活用し、ベースラインの光度とビーム偏光条件下で、250 GeVではHWW結合定数の測定精度が4.8%、500 GeVでは1.2%に達する。ヒッグス全幅の測定精度は、それぞれ11%および5%に達する。

ABSTRACT

This article is based on the talk presented at the International Workshop on Future Linear Colliders (LCWS13) which held during November 11-15, 2013 at Tokyo, Japan. We present several analyses related to the Higgs total width study at ILC based on the full detector simulation of ILD, which are \eevvH followed by \Htobb and \HtoWW. The studies show that at $\unit{250}{GeV}$ we can determine the Higgs total width with a relative precision of 11% and the $HWW$ coupling with 4.8%, whereas at $\unit{500}{GeV}$ the expected precision can be significantly improved to 5% and 1.2% respectively, assuming the baseline integrated luminosities of ILC, which are $\unit{250}{fb^{-1}}$ @ $\unit{250}{GeV}$, $\unit{500}{fb^{-1}}$ @ $\unit{500}{GeV}$, and a beam polarization of $P(e^{-},e^{+})=(-80%,+30%)$. A new approach of removing pile-up particles based on multivariate method developed during those analyses is also presented.

研究の動機と目的

• ILCにおける$WW$融合過程を用いて、ヒッグス全幅および$HWW$結合定数のモデルに依存しない決定を可能にすること。
• LHCやILCで線幅から直接測定できないほどに狭いヒッグス全幅の測定に課される課題を克服すること。
• 250 GeVおよび500 GeVでの$\nu\bar\nu H$生成チャンネルを用い、$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$および$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$の高精度測定を抽出すること。
• 高光度ILC環境における積み重ね効果の抑制に、多次元手法を考案・適用すること。
• 半レプトン的および完全ハドロン的$WW^*$崩壊モードを組み合わせることで、$HWW$結合定数および全幅の統計的精度を向上させること。

提案手法

• ILD検出器モデルを用いたフルデタクタシミュレーションにより、絶対断面積$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$および$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$を測定する。
• 高光度ILC環境における積み重ね粒子の抑制に多次元解析手法を適用し、信号純度を向上させる。
• 大きな欠落エネルギー、大きな欠落横方向運動量、およびbクォークジェット抑制を含むイベント選別基準を用い、QCDおよび$W^+W^-$背景を低減する。
• $W^+W^- \to l\nu qq$および$eeZ$/$e\nu W$背景を抑制するため、角度的および運動学的カットを実装する。特に電子およびミューオンタイプの最終状態で有効である。
• 半レプトン的モードでは、2つのジェットからの$W$ボソン質量およびレプトンと2つのジェットからのヒッグスボソン質量を再構築し、信号の識別を強化する。
• 半レプトン的（$H \to l\nu + 2\text{-ジェット}$）および完全ハドロン的（$H \to 4\text{-ジェット}$）$WW^*$崩壊モードの結果を組み合わせることで、統計的有意性および精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCにおける$WW$融合生成を用いて、モデルに依存しない精度でヒッグス全幅を決定できるか？
• RQ2 250 GeVおよび500 GeVのILCエネルギーで、$\nu\bar\nu H$イベントを用いた$HWW$結合定数の測定で達成可能な精度はどの程度か？
• RQ3 高光度ILC環境下での多次元積み重ね抑制手法の有効性はいかがなものか？
• RQ4 500 GeVでの$H \to WW^*$測定において、半レプトン的か完全ハドロン的モードのどちらがより高い感度を示すか？
• RQ5 250 GeVおよび500 GeVの走行データを組み合わせることで、ヒッグス全幅および$HWW$結合定数の全体的な精度が向上するか？

主な発見

• 250 GeV、250 fb$^{-1}$の光度および$P(e^-, e^+) = (-80\%, +30\%)$の条件下で、$HWW$結合定数の相対精度は4.8%に達する。
• 500 GeV、500 fb$^{-1}$の光度および同じビーム偏光条件下で、$HWW$結合定数の精度は1.2%に向上する。
• 両エネルギーのデータを組み合わせた場合、ヒッグス全幅の相対精度は250 GeVで11%、500 GeVで5%に達する。
• 500 GeVでの半レプトン的および完全ハドロン的$WW^*$崩壊モードの組み合わせ解析により、$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$の相対精度は2.4%に達する。
• 500 GeVでの組み合わせ半レプトン的解析の統計的有意性は22.8$\sigma$に達し、ミューオンタイプ最終状態では17.4$\sigma$、電子タイプ最終状態では14.7$\sigma$に達する。
• 光度アップグレードシナリオを用いると、500 GeVでの$HWW$結合定数の精度は0.58%に向上し、250 GeVでは2.3%に達する。また、250 GeVおよび500 GeVのデータを組み合わせた場合、全幅の精度は2.5%に達する。