[論文レビュー] Multi-tau lepton signatures in leptophilic two Higgs doublet model at the ILC

Shinya Kanemura, Koji Tsumura+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、国際線形加速器（ILC）および大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるレプチロフィリックなタイプ-X二重ヒッグスダブルレットモデル（THDM-X）におけるマルチタウレプトンの最終状態を調査する。コリネア近似を用いてタウレプトンの運動量を再構築することで、$e^+e^- \to HA \to 4\tau$過程が、統計的有意度 $S \sim 43$（100 fb$^{-1}$の光度）で明確で完全に再構築可能な信号を提供することを示し、ILCではたった5 fb$^{-1}$の統合光度でも正確なヒッグスボソン質量測定が可能となる。

ABSTRACT

We study the feasibility of the Type-X two Higgs doublet model (THDM-X) at collider experiments. In the THDM-X, new Higgs bosons mostly decay into tau leptons in the wide range of the parameter space. Such scalar bosons are less constrained by current experimental data, because of the suppressed quark Yukawa interactions. We discuss a search strategy of the THDM-X with multi-tau lepton final states at International linear collider and Large Hadron Collider. By using the collinear approximation, we show that a four tau lepton signature (e^+e^- -> HA -> 4τ) can be a clean signal.

研究の動機と目的

• 高エネルギー衝突型加速器におけるタイプ-X二重ヒッグスダブルレットモデル（THDM-X）の中性ヒッグスボソンから生じるマルチタウ最終状態の検出可能性を評価すること。
• 主にタウレプトンに崩壊するヒッグスボソンの検出に課題となる、エネルギー損失と複雑な崩壊トポロジーの影響を扱うこと。
• ILCにおける$4\tau$最終状態の完全再構築を可能にするために、コリネア近似を用いた再構築戦略を開発すること。

提案手法

• ILCにおける$HA \to 4\tau$イベントで、全4つのタウレプトンの4元運動量をエネルギー運動量保存則を活用してコリネア近似により再構築する。
• 背景を抑制するために、$0 \leq z_{1-4} \leq 1$および$m_{\tau\tau} \in (m_Z \pm 20)\,\text{GeV}$といった運動量的カットを用いる。
• 信号純度と再構築効率を最大化するために、全4つのタウのハドロン崩壊モード（$4\tau_h$）に焦点を当てる。
• $\sqrt{s} = 500$ GeVおよび最大100 fb$^{-1}$の統合光度に対して、モンテカルロシミュレーションを用いて信号の有意度（$S$）とバックグラウンド対信号比（$b/s$）を評価する。
• 同じ$S=5$の発見閾値を用いて、ILCにおける$4\tau_h$チャンネルとLHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルの発見可能性を比較する。
• LHCの$2\mu 2\tau$チャンネルにおける$VV$バックグラウンドをさらに低減するために、再構築済み$\tau\tau$インヴァリアント質量に$m_Z$ウィンドウカットを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCにおける$e^+e^- \to HA \to 4\tau$の$4\tau_h$最終状態は、タイプ-X THDMにおけるレプチロフィリックヒッグスボソンの検出に、明確で完全に再構築可能な信号として機能できるか？
• RQ2 信号およびバックグラウンド率を考慮した場合、$4\tau_h$チャンネルで$S=5$の有意度に到達するためのILCにおける必要な統合光度はどの程度か？
• RQ3 同じ発見有意度を達成するにあたり、ILCにおける$4\tau_h$チャンネルとLHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルの光度効率はどのように比較できるか？
• RQ4 コリネア近似は、マルチタウ最終状態におけるタウレプトン運動量の再構築とバックグラウンド低減にどの程度寄与できるか？
• RQ5 LHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルは、主なミューオンの再構築を用いることで、低イベントレートであっても正確なヒッグスボソン質量測定を可能にするか？

主な発見

• ILCにおける$4\tau_h$チャンネルでは、100 fb$^{-1}$の統合光度で統計的有意度$S \sim 43$を達成し、信号イベント238件、カット後のバックグラウンドイベントは1.8件にまで減少する。
• $S=5$の発見閾値は、$5$ fb$^{-1}$の統合光度で達成可能であり、高い感度を示している。
• 同じ発見有意度を達成するにあたり、ILCにおける$4\tau_h$チャンネルの光度効率は、LHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルと比較して約70倍優れている。
• ILCにおける$4\tau_h$チャンネルでは、バックグラウンド抑制が極めて効果的である：$VV$バックグラウンドイベント数は、$z_{1-4}$および$m_{\tau\tau}$カットを施すことで10.6から1.8にまで減少する。
• LHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルでは、100 fb$^{-1}$で$S \sim 3.2$を達成し、$S=5$に到達するには$\sim 300$ fb$^{-1}$の光度が必要である。一方、コリネア近似により信号は高い忠実度で再構築可能である。
• LHCにおける$2\mu 2\tau_h$チャンネルでは、ヒッグス崩壊から生じる主なミューオンを特定することで、低イベントレートであっても正確なヒッグスボソン質量の決定が可能である。