[論文レビュー] Prospects for $\gamma\gamma o$ Higgs observation in ultraperipheral ion collisions at the Future Circular Collider

D. d’Enterria, Daniel Ernani Martins Neto+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、将来の円形衝突型加速器（FCC）における超並進的PbPbおよびpPb衝突において、二光子融合（γγ → H）によるヒッグスボソン生成を観測する可能性を検討する。MADGRAPH 5とPYTHIA 8を用いた現実的なモンテカルロシミュレーションにより、標準的光度条件下で、運動的エネルギーカットを施した後、PbPb衝突では21件の信号事象（背景28件）とpPb衝突では5件の信号事象（背景6.7件）が観測可能であると示された。これにより、2つの実験を統合するか、pPbでデータ取得期間を8か月に延長することで、1年以内に5σの発見可能性が達成可能である。

ABSTRACT

We study the two-photon production of the Higgs boson, $\\gamma\\gamma\ o H$, at the Future Circular Collider (FCC) in ultraperipheral PbPb and pPb collisions at $\\sqrt{s_{NN}} = 39$ and 63 TeV. Signal and background events are generated with MadGraph-5, including $\\gamma$ fluxes from the proton and lead ions in the equivalent photon approximation, yielding $\\sigma(\\gamma\\gamma\ o H)$ = 1.75 nb and 1.5 pb in PbPb and pPb collisions respectively. We analyse the H$\ o b\\bar{b}$ decay mode including realistic reconstruction efficiencies for the final-state $b$-jets, showered and hadronized with PYTHIA-8, as well as appropriate selection criteria to reduce the $\\gamma\\gamma\ o b\\bar{b},c\\bar{c}$ continuum backgrounds. Observation of PbPb$\\xrightarrow{\\gamma\\gamma}$(Pb)H(Pb) is achievable in the first year with the expected FCC integrated luminosities.

研究の動機と目的

• FCCにおける超並進的重イオン衝突における二光子融合（γγ → H）によるヒッグスボソン生成の観測可能性を評価すること。
• 現実的な検出器シミュレーションと再構成効率を用いて、H → b¯b崩壊モードの信号およびバックグラウンド率の定量的推定を行うこと。
• FCCエネルギー下でのPbPbおよびpPb衝突において、γγ → Hの5σ発見統計的有意性に到達する可能性を評価すること。
• ジェットの横方向運動量および二ジェット角度分布に対する運動的エネルギーカットを用いて、主要なγγ → b¯b連続的バックグラウンドを抑制する方法を検討すること。

提案手法

• Higgs効果的場理論とHDECAYを用いて、MADGRAPH 5（v2.5.4）でγγ → Hおよびγγ → b¯b, c¯c, q¯q過程をシミュレートする。
• 等価光子近似（EPA）を用いて、陽子およびPbイオンからの光子フラックスをモデル化し、イオンビームにおける光度増強のためのZ²スケーリングを適用する。
• 最終状態のbクォークをPYTHIA 8.2でシャドーイングおよびハドロン化し、Durham kTアルゴリズムとFASTJET 3.0を用いて排他的な二ジェット再構成を実施する。
• 連続的バックグラウンドを抑制しつつ信号を保持するため、ジェットの横方向運動量（55–62.5 GeV）および二ジェット角度（|cos θj1j2| < 0.5）に対する運動的エネルギーカットを適用する。
• 現実的な検出器性能を用いる：bジェットエネルギー分解能は7%、タギング効率は70%、cクォークおよび軽いクォークの誤タギング率はそれぞれ5%（1.5%）である。
• 信号の有意性を計算する際、ヒッグスピーク（117–133 GeV）の1.4σウィンドウ内での信号事象数を算出し、カット後のバックグラウンドレベルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCCエネルギー下の超並進的PbPbおよびpPb衝突におけるγγ → H生成が、予想される光度条件下で観測可能か？
• RQ2 FCCエネルギー下でのγγ融合におけるH → b¯b崩壊モードの期待される信号収率とバックグラウンドレベルは何か？
• RQ3 運動的エネルギーカットが主要なγγ → b¯b連続的バックグラウンドを十分に抑制できるか、5σの発見が可能か？
• RQ4 PbPbおよびpPbモードで5σの有意性に到達するための統合光度またはデータ取得期間はどの程度必要か？
• RQ5 現実的な検出器性能および誤認識率を組み込むと、信号対バックグラウンド比にどのような影響が生じるか？

主な発見

• √sNN = 39 TeVおよび63 TeVの条件下で、PbPb衝突におけるγγ → H断面積は1.75 nb、pPb衝突では1.5 pbであり、理論的不確実性は20%である。
• 運動的エネルギーカットを施した後、PbPb衝突（110 nb⁻¹）では21.1件の信号事象、pPb衝突（29 pb⁻¹）では4.8件の信号事象が期待され、それぞれバックグラウンドは28.0件および6.7件である。
• カット後、c¯cのバックグラウンドは約400倍、q¯qのバックグラウンドは約400,000倍に信号対バックグラウンド比が向上し、連続的バックグラウンドは96%抑制される。
• PbPb衝突では、2つの実験を統合するか、1つの実験で光度を2倍にすることで、1年以内に5σの発見が可能である。
• pPb衝突では、8か月のデータ取得または2つの実験の統合が必要であり、光度が低くバックグラウンドが高いため、より長い露出が必要である。