[論文レビュー] Search for Light Scalars Produced in Association with Muon Pairs for $\sqrt{s}$ = 250 GeV at the ILC

Yan Wang, Jenny List+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ILC（250 GeV）において、μμ最終状態を用いた反動質量技術を用いて、Zボソンとともに生成される軽量のヒッグスに類似たスカラーモード（30–115 GeV）に対するモデルに依存しない探索を実施する。2000 fb⁻¹の全フラクションおよび偏光したビーム（−80%, +30%）を用いることで、hZZ結合の2σ期待除外限界が得られ、より高い全フラクションと高度な再構成のおかげでLEPに比べて優れた感度を示し、低質量領域ではκ₉₅ₕZZ < 0.07に達する。

ABSTRACT

In many models with extended Higgs sectors, $e.g.$ 2HDM, NMSSM, there exists a light scalar $h$, lighter than the Standard Model (SM) like Higgs, and the coupling of $hZZ$ can be very small, as expected from the likeness of the 125 GeV Higgs boson measured at the LHC to the SM Higgs boson. Such a light scalar with suppressed couplings to the $Z$ boson would have escaped detection at LEP due to its limited luminosity. With a factor of 1000 higher luminosity and polarized beams, the International Linear Collider (ILC) is expected to have substantial discovery potential for such states. Furthermore, searches for additional scalars at LEP and LHC are usually dependent on the model details, such as decay channels. Thus, it is necessary to have a more general analysis with model-independent assumptions. In this work, we perform a search for a light higgs boson produced in association with $Z$ boson at the ILC with a center-of-mass energy of 250 GeV, using the full Geant4-based simulation of the ILD detector concept. In order to be as model-independent as possible, the analysis is performed using the recoil technique, in particular with the $Z$ boson decaying into a pair of muons. As a preliminary result, the ILC's exclusion limits will be shown for different higgs masses between 30 and 115 GeV.

研究の動機と目的

• LEP や LHC がモデル依存の崩壊モードのおかげで検出を逃す、Z結合が抑制された軽量スカラーの発見可能性をILCで調査すること。
• スカラーの崩壊モードに関する仮定を避けるために、反動質量技術を用いたモデルに依存しない解析戦略を構築すること。
• 偏光ビームと高全フラクションを備えたILCが、30–115 GeVの質量範囲における軽量ヒッグスに類似た状態に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。
• 特にOPALの反動ベース探索と比較することで、ILCの感度向上を数量的に評価すること。

提案手法

• 信号は、√s = 250 GeVでWhizardを用いてシミュレートされ、5つのベンチマーク質量（30–115 GeV）を想定し、標準模型に類似した分支比を仮定しているが、それらに依存しない。
• 背景はILC TDRフレームワークを用いて生成され、2fl、4fl、4fsl、4fh/2fhプロセスが含まれ、完全なISRおよびFSR効果が組み込まれている。
• ILD検出器コンセプト（o1 v05）を用いたGeant4ベースのフルシミュレーションが実施され、Marlinフレームワーク内のPandoraPFAを用いた再構成が行われた。
• ミューオン識別には、トラック運動量（>5 GeV）、イオン化エネルギー損失（ECAL+HCAL/トラック < 0.3）、インパクトパラメータ制約（|d0/δd0| < 5、|z0/δz0| < 5）が用いられた。
• 運動量変数（cosθµ+µ−、cosθtrack±）を用いて、マルチバリアブルなBDTG分類器をトレーニングし、信号と背景を区別した。
• 反動質量Mrec² = (√s − Eμ+μ−)² − |pμ+μ−|² を計算してスカラー質量を再構成し、尤度比検定を用いてκhZZの2σ除外限界を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偏光ビームと高全フラクションを備えたILCは、崩壊モードが未知であっても、Z結合が抑制された軽量スカラーを検出可能だろうか？
• RQ2 ILCにおける反動質量技術は、LEPのモデルに依存しないOPALの反動ベース探索と比較して、軽量スカラーに対してどの程度感度が優れているか？
• RQ3 主な不変背景（特にMZ近辺および低Mh領域）は何か？また、それらが感度に与える影響は？
• RQ4 30–115 GeVの範囲で、ILCがどの程度モデルに依存しないhZZ結合の除外限界を達成できるか？
• RQ5 ILCの結果はLEPの限界からどのように外挿され、感度向上の要因は何か？

主な発見

• スカラー質量が30–115 GeVの範囲で、ILCはκ₉₅ₕZZ < 0.071の2σ期待除外限界を達成し、特に50–90 GeVの範囲で最も厳しい制限となった。
• 信号の有意水準はMh = 50 GeVで66.37にピークし、Mh = 115 GeVでは50%程度に低下（45.56）するが、運動論的抑制の影響を受ける。
• 2000 fb⁻¹の全フラクションと偏光ビーム（−80%, +30%）のおかげで、LEPに比べて感度が1000倍向上し、特に低質量領域で顕著である。
• 2つの不変背景が支配的である：低Mh領域では2flおよび4fslプロセス、MZ近辺ではZZ→μμ+4qであり、標準的なカットでは完全に排除できない。
• OPAL LEPの反動分析とは異なり、ILCはスカラーの崩壊モードに関する仮定を必要としないため、よりモデルに依存しない。その結果、同様の仮定なしに、より厳しい除外限界を達成できる。
• 除外限界は、LEPの外挿限界（κ₉₅ₕZZ ≈ 0.055–0.071）のおおよそ半分であり、より高い全フラクションと優れた検出器性能のおかげで、ILCがより優れた感度を示していることが示された。