[논문 리뷰] Branching ratio measurement of $h o \mu ^+ \mu ^-$ at the ILC

Shin-Ichi Kawada, Jenny List외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ILD 개념을 사용한 전체 검출기 시뮬레이션을 통해 국제 선형 충돌기(ILC)에서 힉스 보존의 붕괴 $h \to \mu^+\mu^-$ 를 측정할 가능성에 대해 평가한다. 250 GeV 및 500 GeV의 질량 중심계 에너지에서 단계적 운용 시나리오 하에 $\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ 의 병합 정밀도가 15.4%에 도달하며, 이는 이전 추정치를 크게 향상시키고 HL-LHC 감도에 가까워지며, 모델에 종속되지 않는 결합 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We study the prospects of measurement of the branching ratio of $h o \mu^+ \mu ^-$ at the International Linear Collider (ILC). The study is performed at center-of-mass energies of 250 GeV and 500 GeV, using fully-simulated MC samples with the International Large Detector (ILD) model. For both center-of-mass energies, the two final states $q\overline{q}h$ and $ u \overline{ u}h$ have been analyzed. For an integrated luminosity of 2000 fb$^{−1}$ at 250 GeV and 4000 fb$^{−1}$ at 500 GeV, corresponding to the H20 running scenario as well as its staged version, the precision on $\sigma imes \mathrm{BR}(h o \mu ^+ \mu ^-)$σ×BR(h→μ+μ−) is estimated.

연구 동기 및 목표

• ILC에서 희귀 힉스 붕괴 $h \to \mu^+\mu^-$ 를 고정밀도로 측정할 수 있는지 가능성 평가.
• 비드폴라리제이션과 질량 중심계 에너지(250 GeV 및 500 GeV)가 신호 감도에 미치는 영향 평가.
• 강화된 결정수무의(Boosted Decision Trees, BDT)를 사용한 배경 제거 및 피팅 절차 최적화를 통한 측정 정밀도 향상.
• 특히 250 GeV 운용에 중점을 두고 H20 시나리오와 단계적 운용 시나리오의 결과 비교.
• $\sigma \times \text{BR}$ 와 총 단면적 측정치를 조합하여 절대 붕괴비와 요카다 결합을 모델에 종속되지 않게 추출하는 것 가능화.

제안 방법

• ILD 검출기 모델과 ILC 기술 설계 보고서 이벤트 생성기(Whizard 및 Pythia)를 사용한 전체 몬테카를로 시뮬레이션.
• 특정 운동량 및 영향점 파라미터 기준을 만족하는 고립된 뮤온을 식별하기 위해 IsolatedLeptonTagger 적용.
• 최종 상태 선택을 위해 강화된 결정수무(BDTG) 사용, 채널별로 최적화하여 신호 대 배경 비율 최대화.
• 토이 몬테카를로 실험을 통한 통계 분석을 통해 피팅 정밀도와 편향 추정, YS 및 풀 분포에 정규분포 피팅.
• 좌우 비드폴라리제이션을 포함한 250 GeV 및 500 GeV에서의 8개 최종 상태(qlh 및 $\nu\nu h$) 결과의 병합.
• 피팅 절차에서의 체계적 불확실성 감소를 위해 배경 수확량(YB)을 고정 정밀도(~5%)로 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILD 검출기 모델을 사용할 때 250 GeV 및 500 GeV에서 $\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ 의 기대 정밀도는 얼마인가?
• RQ2 단계적 운용 시나리오에서 250 GeV 운용이 H20 시나리오에 비해 신호 감도와 정밀도 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 BDT를 통한 배경 제거 및 최적화된 컷을 통해 측정 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 비드폴라리제이션(좌/우수행)이 신호 수확량과 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ILC는 $\sigma \times \text{BR}$ 와 총 단면적 데이터를 조합함으로써 모델에 종속되지 않는 붕괴비 및 요카다 결합 측정을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 단계적 운용 시나리오 하에 250 GeV 및 500 GeV 결과를 병합할 경우 $\sigma \times \text{BR}(h \to \mu^+\mu^-)$ 의 병합 정밀도가 15.4%에 도달한다.
• 250 GeV 결과만으로도 정밀도가 20.5%에 도달하며, 이는 초기 H20 시나리오 추정치 대비 약 20% 향상된 것이다.
• 500 GeV에서는 최종 상태 및 폴라리제이션에 따라 정밀도가 37.0%에서 52.1% 사이로 변동하며, $\nu\nu h$ 채널이 가장 높은 감도를 보인다.
• 풀 분포는 평균 $-0.071 \pm 0.002$ 와 너비 $0.779 \pm 0.001$ 를 보이며, 피팅 절차에 잔류하는 편향이 있음을 시사한다.
• 500 GeV에서 좌수행 비드폴라리제이션을 사용할 경우 $\nu\nu h$ 최종 상태는 1600 fb$^{-1}$ 에서 57.5개의 신호 사건을 기록하며, 모든 채널 중에서 가장 높은 수준이다.
• 본 연구는 ILC가 $\sigma \times \text{BR}$ 와 총 단면적 데이터를 조합함으로써 모델에 종속되지 않는 결합 측정이 가능하다는 것을 입증하였으며, LHC 측정과 달리 이론적 가정에 의존하지 않는다.