[논문 리뷰] Dilepton Signatures of the Higgs Boson with Tau-jet Tagging

Pankaj Agrawal, Somnath Bandyopadhyay외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 토프-쿼크 쌍과 함께 힉스 보존이 생성되는 과정(pp→t\bar{t}H)에서 이론 레프톤 서명을 조사하며, 두 전자/뮤온과 태깅된 제트를 포함하는 최종 상태에 초점을 맞춘다. 타우-제트와 바텀-제트 태깅을 활용하고, 같은 전호의 레프톤 선택을 통해, 두 개의 타우 제트 또는 한 개의 타우 제트와 같은 전호의 레프톤을 포함하는 서명이 LHC 런 II에서 관측 가능할 정도로 충분한 신호 대 배경 비율을 확보함을 보여준다. 이는 글루온 융합 채널을 초월하여 힉스 보존 결합 측정을 향상시킨다.

ABSTRACT

We consider the process $p p o t {\bar t} H$. This process can give rise to many signatures of the Higgs boson. The signatures can have electrons, muons and jets. We consider the signatures that have two electrons/muons and jets. Tagging of a tau jet and a bottom jet can help reduce the backgrounds significantly. In particular, we examine the usefulness of the signatures "isolated 2 electrons/muons + a bottom jet + a tau jet", "isolated 2 electrons/muons + 2 tau jets", "isolated 2 electrons/muons + 2 bottom jets + a tau jet", and "isolated 2 electrons/muons + a bottom jet + 2 tau jets". We find that signatures with two tau jets are useful. The signatures with one tau jet are also useful, if we restrict to same-sign electrons/muons. These requirements reduce the backgrounds due the process with Z-bosons + jets and the production of a pair of top quarks. We show that these signatures may be visible in the run II of the Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• 주로 글루온 융합 채널 외의 t\bar{t}H 생성 과정에서 관측 가능한 힉스 보존 서명을 식별하기 위해.
• 제트 태깅과 레프톤 전하 선택을 통해 주로 QCD 및 토프-쿼크 쌍 배경을 감소시키기 위해.
• LHC 런 II에서 두 전자/뮤온과 태깅된 제트를 포함하는 이론 레프톤 최종 상태의 관측 가능성 평가를 위해.
• t\bar{t}H 생성 과정을 통한 힉스 결합 측정을 위한 최적의 서명을 결정하기 위해.
• 타우-제트 태깅과 같은 전호의 레프톤 선택이 신호 대 배경 비율에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• Higgs 보존이 ττ 또는 WW* 모드로 붕괴하는 pp→t\bar{t}H 과정을 분석하며, 두 개의 양성 레프톤과 제트를 포함하는 최종 상태를 생성한다.
• 실험적 제트 태깅 적용: 타우 제트(25–50% 효율, 0.1–1% 오분류율) 및 바텀 제트(50–60% 효율, 1% 오분류율).
• QCD 및 Drell-Yan 배경을 억제하기 위해 운동학적 절단과 레프톤 고립 조건을 적용한다.
• 특히 단일 타우 제트 서명에서 t\bar{t} 및 Z+jets 배경을 억제하기 위해 같은 전호의 전자/뮤온으로 제한한다.
• 파트론 분포 함수와 스케일 불확실성을 고려한 NLO 횡단단면을 사용하며, 신호 대 배경 비율 S/√B를 추정한다.
• 다양한 제트 태깅 구성에 따라 여러 서명에 대해 300 fb⁻¹ 루미너시티에서 이벤트 수를 세는 방식으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 및 향후 실험 기술을 활용해 LHC에서 t\bar{t}H 생성 과정의 이론 레프톤 서명을 관측할 수 있는가?
• RQ2 이론 레프톤 최종 상태에서 t\bar{t}H 이벤트의 배경 감소에 있어 타우-제트 태깅의 효과는 어떠한가?
• RQ3 같은 전호의 레프톤 선택이 단일 타우 제트 서명에서 토프-쿼크 쌍 및 Z+jets 배경을 상당히 감소시키는가?
• RQ4 제트 태깅과 레프톤 전하 구성의 어떤 조합이 힉스 보존 탐지에 가장 높은 신호 대 배경 비율을 제공하는가?
• RQ5 실제 루미너시티와 검출기 성능 조건 하에서, t\bar{t}H 과정이 LHC 런 II에서 이론 레프톤 최종 상태를 통해 관측될 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 타우 제트를 포함하는 서명, 예를 들어 '2 전자/뮤온 + 2 타우 제트'는 300 fb⁻¹ 루미너시티에서 힉스 질량 120–130 GeV 범위에서 약 4.6–5.8의 신호 대 배경 비율을 확보한다.
• '2 전자/뮤온 + 타우 제트 + 바텀 제트' 서명은 비율이 3.4–3.8로 떨어지며, 추가 억제 없이 관측에는 부적합하다.
• 같은 전호의 레프톤 선택은 t\bar{t} 배경을 상당히 감소시키며, '2 전자/뮤온 + 타우 제트 + 바텀 제트'의 경우 비율이 6.3–8.3으로 상승하고, '2 전자/뮤온 + 두 개의 타우 제트 + 바텀 제트'의 경우 5.0–5.4로 상승한다.
• '2 전자/뮤온 + 두 개의 타우 제트' 서명은 비율이 4.6–5.2로 나타나, 런 II에서 관측 가능한 채널로 타당하다.
• '2 전자/뮤온 + 타우 제트 + 두 개의 바텀 제트' 서명은 높은 t\bar{t} 배경으로 인해 비율이 낮게 나타나(2.1–2.4), 같은 전호 선택 조건에도 불구하고 관측에 어려움이 있다.
• 횡단단면의 이론적 불확실성(10–15%)은 비율 비율에서 상당히 상쇄되며, 이로 인해 결과는 이론적 및 실험적 변동에 대해 강건하다.