[論文レビュー] Vector Boson Fusion Production of the Standard Model Higgs at the LHC

M. Vázquez Acosta|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるベクトルボソン対生成（VBF）を通じた標準模型ヒッグス粒子の検出戦略を包括的に提示し、ττ、WW、γγ崩壊モードに焦点を当てる。QCDバックグラウンドを抑制するために、高度なジェットおよびトラックベースのボイドを用い、30 fb⁻¹の有効放射率条件下で、H→ττ（115–140 GeV）では3σの有意性が達成可能であり、H→γγでは2σの有意性が得られる。一方、H→WWは140–200 GeVの質量範囲で5σの発見可能性を示す。

ABSTRACT

The cross section measurements of the Higgs boson production in the vector boson fusion (VBF) process at the LHC followed by a Higgs boson decay into tautau, WW and gamma gamma will significantly extend the possibility of Higgs boson coupling measurements. Prospective analyses with the CMS experiment are discussed for the H-> gammagamma, WW and tautau decay channels for an integrated LHC luminosity of 30 fb-1. For a Higgs boson mass in the range 115 to 140 GeV, an observation with a significance above 2 standard deviations is expected in the H to gammagamma channel, and above 3 standard deviations in the H to tautau channel. The H to WW channel offers a discovery reach above 5 sigma in the mass range 140 to 200 GeV. A new complete strategy is presented for the control of systematics and early searches at very low luminosities of the order of 1 fb-1.

研究の動機と目的

• 初期のVBFヒッグス粒子探索において、低有効放射率（1 fb⁻¹）条件下でも頑健な選別戦略を開発すること。
• ジェットおよびトラックベースのボイド技術を用いて、VBFヒッグス生成における信号とバックグラウンドの識別を向上させること。
• 30 fb⁻¹の有効放射率条件下で、H→ττ、H→WW、H→γγ崩壊モードにおけるVBFヒッグス粒子の発見可能性を評価すること。
• データ駆動型技術を用いて、ττ最終状態におけるZ→ττバックグラウンドを正確にモデル化すること。

提案手法

• キャリブレーターのジェット横方向エネルギーに基づく中央ジェットボイド（CJV）を用いて、QCDバックグラウンドを抑制する。
• トラック横方向運動量およびトラック数のしきい値を用いたトラックカウンティングボイド（TCV）を採用し、信号選別を強化する。
• α₃j = ΣpTtrk / ETj3 を定義し、ジェットを信号頂点に関連づけ、積層効果の寄与を除外する。
• H→ττ崩壊モードにおける二重τの不変質量を再構築するために、共線近似を適用する。
• 95%信頼区間における信号断面積と分支比の積の上限を設定するために、プロファイル尤度法を用いる。
• Z→μμイベントにおけるミュオンを、シミュレートされたτレプトンおよびその検出器応答に置き換えることで、Z→ττバックグラウンドをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 fb⁻¹の有効放射率条件下で、H→ττチャンネルにおけるVBFヒッグス粒子の観測予想有意性は何か？
• RQ2 TCVアルゴリズムは、VBFヒッグス探索においてCJVと同等の信号-バックグラウンド識別性能を達成できるか？
• RQ3 120–250 GeVの質量範囲において、VBFチャンネルにおけるH→WWの発見到達可能性は何か？
• RQ4 データ駆動型技術を用いたZ→ττバックグラウンドモデル化は、初期LHC探索においてどの程度の精度で実現できるか？
• RQ5 1 fb⁻¹のデータ量におけるVBF H→ττチャンネルのヒッグス粒子断面積と分支比の積の期待上限は何か？

主な発見

• ヒッグス粒子質量が135 GeVの場合、30 fb⁻¹の有効放射率条件下でH→ττチャンネルにおける統計的有意性は3.98σに達する。
• H→γγチャンネルでは、30 fb⁻¹の有効放射率でヒッグス質量が115–140 GeVの範囲で2σ以上の有意性が達成される。
• H→WWチャンネルでは、30 fb⁻¹の有効放射率でヒッグス質量が140–200 GeVの範囲で5σの発見可能性を示す。
• 60 fb⁻¹のデータ量で、H→γγチャンネルの有意性は、ヒッグス質量が115–130 GeVの範囲で3σに達する。
• TCVアルゴリズムはCJVと同等の識別性能を示し、最適な性能は第3ジェットのETしきい値が約80%の信号効率および50%未満のバックグラウンド効率で達成される。
• データ駆動型Z→ττバックグラウンドモデル化手法は、実際の測定値とシミュレーションの二重τ質量分布の間で良好な一致を示し、初期探索における有効性が裏付けられる。