[論文レビュー] Study of ttH (H -> mu mu) in the three lepton channel at sqrt(s) = 14 TeV; A Snowmass white paper

Jared Gregory Vasquez, J. Adelman+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、高光度LHC（14 TeV、3000 fb⁻¹）における三レプトン最終状態で、トップクォーク対と関連したヒッグスボソンの生成（ttH → μ⁺μ⁻）を観測可能かどうかを検討する。140個の平均積層を伴う高速シミュレーション（Delphes）を用いた分析では、優れた二ミュオン質量分解能にもかかわらず、信号は小さな分支比と微小な断面積のため極めて抑制され、選別後にはわずか約28件の信号イベントが予想され、有意水準はわずか約1.9σにとどまる。したがって、高度な多次元技術を用いない限り、観測は極めて困難である。

ABSTRACT

The H -> mu mu signature provides excellent mass resolution for Higgs bosons, and is therefore an important Higgs boson decay channel despite the small dimuon branching ratio. We present an optimization of selection criteria in a search for trilepton ttH (H -> mu mu) events, in which the top quark pair decays semi-leptonically, at a simulated High Luminosity LHC (HL-LHC) running at 14 TeV. The study is performed with 3000 fb^(-1) of simulated data with an average pileup of < mu > = 140. In this ultimate HL-LHC data set, we find that ttH (H -> mu mu) will be a very difficult signature to observe due to the very small expected signal.

研究の動機と目的

• 高光度LHCにおける三レプトンチャンネルでのttH（H → μ⁺μ⁻）の検出感度を評価すること。
• ヒッグスボソンの小さな二ミュオン分支比（2.2×10⁻⁴）と低ttH生成断面積が、信号の観測可能性に与える影響を評価すること。
• 高積層状態下での三レプトン最終状態におけるttH（H → μ⁺μ⁻）のイベント選別基準を最適化すること。
• 二ミュオン質量ウィンドウ内での期待される信号対背景比と統計的有意水準を定量化すること。

提案手法

• 一般的なHL-LHC検出器モデルと粒子流量による積層効果低減を想定した、Delphes高速シミュレーションを用いたデータのシミュレーション。
• 信号生成にはMadGraph5（v2 beta）を用い、Pythia6によるシャワリングを適用。バックグラウンドサンプルは公式のSnowmassエネルギー・フロンティア・シミュレーションを採用。
• 正確に3つの再構築されたレプトン、2つの電荷が反対のミュオン、欠落運動量、bクォーランプタグ、HT > 350 GeVを要件とするイベント選別。
• t¯t、t¯tZ、t¯tW、t¯tWW、およびV+jetsのモンテカルロサンプルを用いたバックグラウンド推定。偽ミュオン率は、同じ電荷の二ミュオンt¯tイベントから導出。
• t¯tイベントにおける誤ったレプトン識別を推定するため、1ジェットごとの偽レプトン率（6.5×10⁻⁵）を適用。
• 120–130 GeVの二ミュオン質量ウィンドウにおいて、1 GeV刻みの1バインで指数関数的曲線をフィットし、S/√Bの有意水準を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHC（3000 fb⁻¹）における三レプトン最終状態で、ttH（H → μ⁺μ⁻）信号が観測可能かどうか。
• RQ2 選別基準の最適化とバックグラウンド抑制を経た後、ttH（H → μ⁺μ⁻）信号の期待される有意水準は何か。
• RQ3 小さなヒッグスボソンの分支比と低ttH断面積が、三レプトンチャンネルにおける信号の検出可能性にどのように影響を与えるか。
• RQ4 偽レプトン寄与が主要なt¯tバックグラウンドに果たす役割は何か。また、それらはどのようにモデル化されているか。
• RQ5 運動量および不変質量カットを用いて、t¯tZバックグラウンドと信号を区別できるか。

主な発見

• 完全な選別を経た後、電子およびミュオンチャンネルを合わせたttH（H → μ⁺μ⁻）イベントの期待数は約27.6である。
• 統計的不確実性のみを考慮した場合、結合チャンネルでの信号の有意水準は約1.93σであり、発見レベルの有意水準に達しない。
• 正確に3つの再構築されたレプトンを要件とすると、信号収率は約54イベントに低下し、ミュオンチャンネルで13.3、電子チャンネルで14.3にそれぞれ分離される。
• 主なバックグラウンドは、偽レプトンを含むt¯tであり、Zボソン質量ウィンドウ（91–101 GeV）内のOS二ミュオン対を除外することでt¯tZバックグラウンドは抑制される。
• t¯tZおよびt¯tWバックグラウンドは顕著に寄与しており、それぞれミュオンチャンネルで107.2、電子チャンネルで137.1の期待バックグラウンドイベント数となる。
• 本研究の結論として、標準的手法では三レプトンチャンネルにおけるttH（H → μ⁺μ⁻）信号の観測は極めて困難であり、発見には多次元技術の適用や、すべてハドロン崩壊チャンネルの検討が必要であると結論づけられる。