[論文レビュー] Study of s-channel Charged Higgs Production in CMS

S. Slabospitsky|ArXiv.org|Mar 9, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CMSが低出力LHC運転3年間において、$H^\pm$の質量が200–400 GeVで$\tan\beta$が20–50の領域において、軽いクォーク-反クォーク対消滅による$s$-チャネル生成（$q\bar{q}' \to H^\pm$）に続く$\tau^\pm\nu_\tau$への崩壊を介して、電荷を帯びたヒッグスボソン（$H^\pm$）を検出する可能性を調査している。最適化された運動量カットとパラメータ化された$M_\perp(j, E_\perp)$分布を用いて、信号イベント数が約$10^2{-}10^3$に達することを示しており、質量および$\tan\beta$の高精度測定が可能であることが示された。

ABSTRACT

CMS potential for study of the s-channel $H^{\pm}$-boson production via light quark annihilation is investigated for large values of $ anβ$ ($=20÷50$) and relatively light charge Higgs boson ($M_H = 200 ÷400$ GeV). An appropriate parameterisation for $M_{ op}(j, \ETM)$-distributions of the signal and background events is proposed, which provides the determination of the charged Higgs mass and $ anβ$ parameter.

研究の動機と目的

• LHCにおけるCMS検出器を用いた、軽いクォーク-反クォーク対消滅による$s$-チャネル生成モードでの電荷を帯びたヒッグスボソン（$H^\pm$）の検出可能性を評価すること。
• 大きな$\tan\beta$と比較的軽い$H^\pm$質量の文脈において、$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$崩壊の信号対背景分離効率を評価すること。
• 信号および背景の両方の$M_\perp(j, E_\perp)$分布の堅牢なパラメータ化を構築し、$H^\pm$質量および$\tan\beta$の正確な抽出を可能にすること。
• 実際のLHC条件下でのMSSMパrameter空間（$M_H = 200{-}400$ GeV、$\tan\beta = 20{-}50$）における$s$-チャネル$H^\pm$生成モードの発見領域および測定感度を同定すること。

提案手法

• 14 TeVの$\sqrt{s}$におけるCTEQ5Lの部分子分布関数を用いて、TopReX 3.25を用いて信号および背景過程のイベント生成。
• 2→2過程（$q\bar{q}' \to H^\pm g$など）におけるNLO QCD補正を、$2\to1$の$s$-チャネル過程と重複しないように減算法を用いて組み込む。
• ハイブリッドイベント生成アプローチの採用：$p_\perp(H^\pm)$が小さい領域では$2\to1$過程、大きい領域では$2\to2$過程を用い、寄与を分離するための横運動量のしきい値を設定。
• 実際のジェットおよび欠落運動量の再構築を含む、CMSJET 4.703を用いた迅速なモンテカルロシミュレーションによる検出器応答のシミュレーション。
• 運動量カットの適用：$E_\perp(j) \geq 50$ GeV、$M_\perp(j, E_\perp) \geq 100$ GeV、および信号の有意性を向上させるために$M_\perp$分布の反復的トリンケーション。
• 信号および背景の形状をパラメータ化した関数を用いて$M_\perp(j, E_\perp)$分布のフィッティングを行い、推定質量（$M_f$）および信号収量（$N_S^f$）を抽出。これにより、式(15)を用いて$\tan\beta$の決定が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVの$\sqrt{s}$におけるCMSで、軽いクォーク対消滅による$s$-チャネル$H^\pm$生成モードが、主要なQCD背景から効果的に分離可能か。
• RQ2 実際のカットを適用した後、$M_H = 200{-}400$ GeVおよび$\tan\beta = 20{-}50$の領域において、$H^\pm \to \tau^\pm\nu_\tau$崩壊の信号イベント数はどの程度期待されるか。
• RQ3 $M_\perp(j, E_\perp)$分布を正確にパラメータ化できるか。これにより、$H^\pm$質量および$\tan\beta$の高精度再構築が可能か。
• RQ4 異なる$M_H$および$\tan\beta$値における信号の統計的有意性は何か。また、MSSMパrameter空間のどの領域がアクセス可能か。
• RQ5 入力値と比較して、フィッティングされた信号収量から得られる$\tan\beta$の精度はどの程度か。

主な発見

• 運動量カットを適用した後、$M_H = 200{-}400$ GeVおよび$\tan\beta = 20{-}50$の範囲で、3年間の低出力LHC運転期間中に信号イベント数が約$10^2$から$10^3$に達することが予想された。
• 推定された$H^\pm$質量（$M_f$）は、入力された$M_H$と非常に良好に一致しており、統計的不確実性の範囲内に収まっていた。これにより、質量測定に向けた手法の信頼性が確認された。
• 信号収量のフィッティングから得られた$\tan\beta$値は、入力値と良好に一致しており、$M_H = 200$ GeVおよび$\tan\beta = 50$の条件下では相対不確実性$\delta(\tan\beta_f) \sim 10\%$であった。統計量が増加するにつれて精度が向上した。
• 有意性基準$N_S^f / \sqrt{N_S^f + N_B^f} \geq 3$が$M_H \leq 300$ GeVの領域で満たされており、この領域では強い発見可能性が示された。
• $M_\perp$分布を$M_{\perp,\text{min}} = \frac{1}{2}M_f^{(1)}$でトリンケーションすることで、背景が顕著に低減されつつも信号が保持され、有意性が向上し、$M_f$のエネルギー分解能も改善された。
• 本チャネルのアクセス可能な領域は、$(M_H \times \tan\beta)$平面の左上隅に位置し、$M_H = 200{-}400$ GeVおよび$\tan\beta = 20{-}50$の範囲をカバーしており、この領域では信号が検出可能かつ高精度で測定可能である。