[논문 리뷰] Backgrounds To Higgs Boson Searches from Asymmetric Internal Conversion

Richard Gray, Can Kılıç외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 힉스 보존 탐색에서 이전에 간과되었던 배경을 특정하고 정량화한다: 비대칭 내부 전환을 통한 비진성 광자에서의 $W\gamma^*$ 생성 과정에서, $\gamma^* \to \ell\ell$ 에서 후행 렙톤은 재구성되지 않아 즉시 렙톤을 위장한다. 연구 결과, 7 TeV에서 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 채널에서 이 배경의 수확량이 힉스 신호와 유사한 것으로 나타나, 다변량 분석에 도전을 안기며 데이터 기반의 특성화 방법이 필요로 한다.

ABSTRACT

A class of potential backgrounds for Higgs boson searches in the W W to di-lepton channel at both the Tevatron and Large Hadron Collider is presented. Backgrounds from W photon production with external conversion of the on-shell photon in detector material to an asymmetric electron-positron pair, with loss of the trailing electron or positron has been treated adequately in Higgs searches. Here we consider analogous backgrounds from the production of a W with an off-shell photon and with the internal conversion of the off-shell photon in vacuum to an asymmetric lepton-anti-lepton pair. While the former process yields almost entirely electrons or positrons, the latter can give electron, positron, muon, and anti-muon backgrounds in roughly equal amounts. We estimate that asymmetric internal conversion backgrounds are comparable to the Higgs boson signal in the standard signal region of phase space. These processes also represent potential backgrounds for new physics searches in same-sign di-lepton channels. Some data driven methods to characterize asymmetric internal conversion backgrounds are suggested.

연구 동기 및 목표

• 이전에 계산되지 않은 $W\gamma^*$ 생성 과정에서 비진성 광자의 내부 전환에 기인한 힉스 보존 탐색 배경을 특정하고 정량화하는 것.
• 비대칭 내부 전환이 테바트론 및 LHC의 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 탐색 채널에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 이 배경이 운동량 분포 및 다변량 분석 기법에서 힉스 신호를 어떻게 모방할 수 있는지 평가하는 것.
• 같은 전하의 이레프톤 샘플을 활용하여 배경을 특성화하고 제약 조건을 설정하는 데이터 기반 방법을 제안하는 것.
• 비대칭 전환에서 저운동량 렙톤의 탐지기 수용율을 모델링하는 데 있어 몬테카를로 시뮬레이션의 한계를 부각하는 것.

제안 방법

• 가상 광자가 진공에서 렙톤-반렙톤 쌍으로 내부 전환되는 $q\bar{q} \to W\gamma^* \to \ell\nu\ell'\ell'$ 과정을 분석한다.
• 파트론 수준의 행렬원 계산과 PGS 기반의 수용율 시뮬레이션을 사용하여 횡단단면과 신호 유사 수확량을 추정한다.
• 표준 힉스 및 $WW$ 분석에서 사용하는 운동량 선택 기준을 적용하여 배경과 신호 수확량을 비교한다.
• 전하 대칭성을 활용하여 반대 전하의 LAME FAIC 배경을 같은 전하의 이레프톤(SS) 데이터 샘플을 통해 제약 조건을 설정하는 것을 제안한다.
• OS LAME FAIC의 몬테카를로 시뮬레이션 정확도를 향상시키기 위해 SS 데이터로 검증하는 것이 가능하다고 제안한다.
• 가상 광자의 초기 및 최종 상태 복사(예: $W$ 보손의 복사) 기여도를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 렙톤 쌍 생성을 동반한 $W\gamma^*$ 내부 전환 배경이 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 채널에서 얼마나 중요한가?
• RQ2 비대칭 내부 전환 사건의 운동량 특성이 힉스 신호와 얼마나 유사한가?
• RQ3 같은 전하의 이레프톤 샘플을 활용한 데이터 기반 기법이 반대 전하 내부 전환 배경을 효과적으로 제약 조건에 둘 수 있는가?
• RQ4 현재 몬테카를로 시뮬레이션은 왜 이 배경에서 탐지기 수용율을 정확히 모델링하지 못하는가?
• RQ5 전자, 뮤온, 타우 렙톤 최종 상태 중 어느 것이 내부 전환 배경에 가장 큰 기여를 하는가?

주요 결과

• 선택 후 $e^+e^-$ 최종 상태에서 7.7 fb, $e^\pm\mu^\mp$ 에서 57 fb, $\mu^+\mu^-$ 에서 3.4 fb로, LAME FAIC 배경 수확량이 130 GeV 힉스 신호와 유사하다.
• 표준 힉스 선택 절차를 통과한 후에도 LAME FAIC 배경 수확량은 힉스 신호 수확량의 약 20%에 머무르며, 비소외 가능한 영향을 미친다.
• 전하 케이스 대칭성으로 인해 같은 전하와 반대 전하의 이레프톤 쌍 수가 동일하게 발생하므로, SS 샘플을 활용한 데이터 기반 제약 조건이 가능하다.
• 저운동량 실종 렙톤의 영향으로 인해 추적 및 고립도에 영향을 주는 점을 고려할 때, 현재 몬테카를로 시뮬레이션은 이 배경을 충분히 모델링하지 못한다.
• 내부 전환 배경은 전자에 국한되지 않으며, 뮤온과 타우 렙톤에서도 유의미한 기여를 하며, 외부 전환과는 달리 전자가 지배적이지 않다.
• 이 연구는 최근 테바트론 및 LHC 결과에서 이 배경이 다루어지지 않았다는 점에서 현재 힉스 탐색 분석에 잠재적 갭이 있음을 밝혀낸다.