[論文レビュー] Report of the Higgs Working Group of the Tevatron Run 2 SUSY/Higgs Workshop

Marcela Carena, JS Conway+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 95

ひとこと要約

本稿は、モンテカルロシミュレーションとベイズ統計的手法を用いて、フェルミラブのテバトロンRun 2における標準模型（SM）および最小超対称標準模型（MSSM）のヒッグスボソンの発見可能性を評価している。SMヒッグスボソンの3σの証拠を180 GeVまで達成するには、1検出器あたり25 fb⁻¹の統合光度が必要であり、5σの発見は30 fb⁻¹でも約130 GeV未満のヒッグス質量に限定される。MSSMヒッグスの発見においても、パラメータ空間全体で同程度の光度要件が適用され、特に高 an\beta領域ではb\bar{b}対との連関生成によって感度が向上する。

ABSTRACT

This report presents the theoretical analysis relevant for Higgs physics at the upgraded Tevatron collider and documents the Higgs Working Group simulations to estimate the discovery reach in Run 2 for the Standard Model and MSSM Higgs bosons. Based on a simple detector simulation, we have determined the integrated luminosity necessary to discover the SM Higgs in the mass range 100-190 GeV. The first phase of the Run 2 Higgs search, with a total integrated luminosity of 2 fb-1 per detector, will provide a 95% CL exclusion sensitivity comparable to that expected at the end of the LEP2 run. With 10 fb-1 per detector, this exclusion will extend up to Higgs masses of 180 GeV, and a tantalizing 3 sigma effect will be visible if the Higgs mass lies below 125 GeV. With 25 fb-1 of integrated luminosity per detector, evidence for SM Higgs production at the 3 sigma level is possible for Higgs masses up to 180 GeV. However, the discovery reach is much less impressive for achieving a 5 sigma Higgs boson signal. Even with 30 fb-1 per detector, only Higgs bosons with masses up to about 130 GeV can be detected with 5 sigma significance. These results can also be re-interpreted in the MSSM framework and yield the required luminosities to discover at least one Higgs boson of the MSSM Higgs sector. With 5-10 fb-1 of data per detector, it will be possible to exclude at 95% CL nearly the entire MSSM Higgs parameter space, whereas 20-30 fb-1 is required to obtain a 5 sigma Higgs discovery over a significant portion of the parameter space. Moreover, in one interesting region of the MSSM parameter space (at large tan(beta)), the associated production of a Higgs boson and a b b-bar pair is significantly enhanced and provides potential for discovering a non-SM-like Higgs boson in Run 2.

研究の動機と目的

• テバトロンRun 2における標準模型ヒッグスボソンの発見可能性を、アップグレードされたCDFおよびDØ検出器を用いて評価すること。
• 特に軽いCP偶性ヒッグスボソンに注目して、最小超対称標準模型（MSSM）のヒッグス系の感度を評価すること。
• SMおよびMSSMヒッグスボソンの95%信頼水準（CL）での除外と3σ／5σ発見の有意水準を達成するための必要な統合光度を特定すること。
• MSSMにおける特に高 an\beta領域で、b\bar{b}対との連関生成によって向上する可能性のある検出チャネルを調査すること。
• 発見および除外結果の解釈に用いる統計的枠組みを、ベイズ事後確率密度関数と頻度主義的信頼区間の両方を用いて構築すること。

提案手法

• 信号およびバックグラウンドイベント率をヒッグス質量および統合光度の関数として推定するための簡易検出器シミュレーションを用いる。
• ベイズ統計を用いて、信号強度fの事後確率密度関数（p.d.f.）を計算し、信号（f=1）の最尤度と帰無仮説（f=0）の最尤度を比較する。
• 最大事後尤度と帰無仮説尤度の比を用いて統計的有意水準を定義し、これを等価なガウス的σレベルに変換する。
• 偽実験アンサンブルを用いて、50%の可能性で所定の有意水準（例：3σまたは5σ）に達する光度を特定する。
• 系統的不確実性を尤度計算に組み込むために、ガウス分布による畳み込みを用い、数値積分により近似する。
• SMヒッグス発見要件をMSSMパラメータ空間に再解釈し、特に軽いCP偶性ヒッグスボソンと高 an\beta領域におけるb\bar{b}対との連関生成に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンが100–190 GeVの質量範囲でSMヒッグスボソンを95% CLで除外できるために必要な統合光度はどれくらいか？
• RQ2 テバトロンRun 2プログラムにおいて、SMヒッグスボソンの3σの証拠と5σの発見有意水準を達成するにはどの程度の光度が必要か？
• RQ3 MSSMのヒッグス系における発見可能性はSMと比べてどうか。特に高 an\beta領域のようなパラメータ空間の領域でどうか？
• RQ4 MSSMにおけるヒッグスボソンとb\bar{b}対の連関生成は、非SM的ヒッグスボソンの発見可能性をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 統計的手法として、低統計的状況（ヒッグス探索に特徴的）において、ベイズ事後p.d.f.と頻度主義的信頼区間はどのように比較できるか？

主な発見

• 1検出器あたり2 fb⁻¹の統合光度では、テバトロンRun 2でLEP2終了時と同等の95% CLの除外感度が達成される。
• 1検出器あたり10 fb⁻¹では、95% CLの除外感度が180 GeVまでのヒッグス質量にまで拡張され、125 GeV未満のヒッグス質量では3σ効果が観測可能になる。
• 1検出器あたり25 fb⁻¹では、180 GeVまでのヒッグス質量でSMヒッグス生成の3σ証拠が可能になる。
• 1検出器あたり30 fb⁻¹でも、SMヒッグス質量が約130 GeV未満の範囲でのみ5σ発見有意水準が達成可能である。
• MSSMでは、1検出器あたり5–10 fb⁻¹でほぼ全パラメータ空間の95% CL除外が可能となり、パラメータ空間の広い範囲で5σ発見を達成するには20–30 fb⁻¹が必要となる。
• MSSMの高 an\beta領域では、ヒッグスボソンとb\bar{b}対の連関生成が、非SM的ヒッグスボソンの発見可能性を顕著に向上させる。