[論文レビュー] Status of Higgs Boson Searches at the Tevatron

A. Sopczak|ArXiv.org|Mar 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、2008年冬から2009年冬にかけてのテバトロン衝突加速器におけるヒッグス粒子探索の現状を要約し、CDFおよびDØ実験のデータを用いて、モデルに依存しないおよびモデルに依存するヒッグス粒子の質量および結合定数に関する制限を提示している。主な結果として、95%信頼水準で標準模型ヒッグス粒子が160–170 GeVの質量範囲で直接除外されたことが示され、以前のLEPの制限を超えており、LHC時代に向けた重要なマイルストーンである。

ABSTRACT

Over the last years the Tevatron Run-II has extended several limits on Higgs boson masses and coupling which were pioneered during the LEP accelerator operation between 1989 and 2000. Higgs boson searches will also be at the forefront of research at the LHC. This review concisely discusses the experimental constraints set by the CDF and D0 collaborations in winter 2008/2009 at the beginning of the LHC era. Model-independent and model-dependent limits on Higgs boson masses and couplings have been set and interpretations are discussed both in the Standard Model and in extended models. Recently, for the first time the Tevatron excludes a SM Higgs boson mass range (160-170 GeV) beyond the LEP limit at 95% CL. The experimental sensitivities are estimated for the completion of the Tevatron programme.

研究の動機と目的

• テバトロンのラン2期にかけてCDFおよびDØ共同研究が設定したヒッグス粒子の質量および結合定数に関する実験的制約を要約すること。
• さまざまな最終状態（標準模型および標準模型を超える（BSM）状況を含む）におけるヒッグス粒子生成および崩壊に関する、モデルに依存しないおよびモデルに依存する制限を提示すること。
• 95%信頼水準で、160–170 GeVの質量範囲における標準模型ヒッグス粒子の最初の直接的除外を報告すること。これは、以前のLEPの制限を上回るものである。
• 特にLHC物理学の将来の文脈において、ラン2期の終了に伴い、テバトロンが標準模型およびBSMヒッグス粒子に対して示した実験的感度を評価すること。
• 複数の崩壊チャネルにわたるヒッグス探索結果を解釈するにあたり、理論的モデルと実験データの連携の重要性を強調すること。

提案手法

• 2008年冬から2009年冬までに、CDFおよびDØが収集した、√s = 1.96 TeVの陽子-反陽子衝突データを用い、統合された放射線量は約5 fb⁻¹に達した。
• バーテックス検出器（例：CDFのL00aレイヤー）による改善されたインパクトパラメータ分解能を活用した高度なbクォークタグギング技術を適用し、H→bb̄崩壊への感度を向上させた。
• グルーオン融合（gg→H→WW）、関連生成（WH、ZH）、および希少崩壊（H→γγ、H→τ⁺τ⁻、H→tt̄）を対象とした専用探索を実施し、最適化された運動量およびトポロジー選択基準を用いた。
• Feldman-Cousins信頼区間および疑似実験シミュレーションを用いた統計的手法により、分岐比および信号強度の上限を設定した。
• チャージドヒッグス粒子（H⁺、H⁺⁺）およびフェルミオン非感受性ヒッグス粒子を対象としたモデル特化型探索を実施し、H⁺→cs、H⁺⁺→μ⁺μ⁺、H→γγなどの最終状態を分析した。
• 複数の崩壊チャネルおよび実験（CDFおよびDØ）の結果を統合することで、ヒッグス粒子の質量および結合定数に関する除外限界を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2008年冬から2009年冬までに収集されたテバトロンのデータから、標準模型ヒッグス粒子の質量および結合定数に関する現在の実験的制限は何か？
• RQ2 LEPの制限を超えて、160–170 GeVの質量範囲における標準模型ヒッグス粒子がテバトロンで除外可能か？
• RQ3 CDFおよびDØのヒッグス崩壊モード（例：H→bb̄、H→WW、H→γγ）に対する感度はどのように比較できるか？2005年以降にどのような改善がなされたか？
• RQ4 標準模型を超えるモデルにおける特異なヒッグス粒子（例：H⁺、H⁺⁺、b̄b̄A）に対する制限は何か？
• RQ5 テバトロンの結果はLEPの制限をどの程度上回っているのか？ラン2期終了に向けた予想される感度は？

主な発見

• テバトロンは、95%信頼水準で、160–170 GeVの質量範囲における標準模型ヒッグス粒子の最初の直接的除外に成功し、以前のLEPの制限（114.4 GeV）を上回った。
• 120 GeVの標準模型ヒッグス粒子に対しては、約5 fb⁻¹のデータ量で各実験で約5,000個のヒッグス粒子が生成されると予想された。これは、テバトロンの高い生成率を裏付けるものである。
• 統計的要因のみでは予想できないほど、標準模型ヒッグス粒子探索における感度が想定を上回って向上した。これは、分析技術の向上およびbタギング性能の向上に起因する。
• CDFおよびDØは、トップクォークがチャージドヒッグス粒子に崩壊する分岐比に関する新たな制限を設定した。観測（予想）された上限は、80 GeVのH⁺がcsに崩壊する場合にBR(t→H⁺b) < 0.35（0.25）であった。
• フェルミオン非感受性ヒッグス粒子がγγに崩壊する場合の95%信頼水準での制限が設定され、CDFは約100 GeV未満の質量を除外し、DØは約105 GeV未満の質量を4.2 fb⁻¹のデータセットに対して除外した。
• 二重に電荷を帯びたヒッグス粒子（H⁺⁺）は、99 GeVまで95%信頼水準で除外された。これは、二重ミュオン質量スペクトルおよび同符号ジレプトン最終状態の探索に基づくものである。