[논문 리뷰] Discovering an Invisibly Decaying Higgs at Hadron Colliders

Hooman Davoudiasl, Tao Han외 1명|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|2004. 12. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 테바트론에서 은폐된 채로 붕괴하는 힉스 보손(h_inv)의 발견 잠재력을 세 가지 생성 채널을 통해 조사한다: Z+h_inv, 약한 보손 융합(WBF), 및 h_inv+j. LHC에서 Z+h_inv 채널은 10 fb⁻¹의 데이터로 120 GeV의 h_inv에 대해 5σ의 발견 가능성을 보이며, Z+h_inv와 WBF를 조합하면 10 fb⁻¹에서 모델에 종속되지 않는 힉스 질량 측정이 가능하며, 불확실성은 35–50 GeV 수준이다.

ABSTRACT

A Higgs boson lighter than 2 m_W that decays mostly into invisible channels (e.g., dark matter particles) is theoretically well-motivated. We study the prospects for discovery of such an invisible Higgs, h_inv, at the LHC and the Tevatron in three production modes: (1) in association with a Z, (2) through Weak Boson Fusion (WBF), and (3) accompanied by a jet. In the Z+h_inv channel, we show that the LHC can yield a discovery signal above 5 sigma with 10 fb-1 of integrated luminosity for a Higgs mass of 120 GeV. With 30 fb-1 the discovery reach extends up to a Higgs mass of 160 GeV. We also study the extraction of the h_inv mass from production cross sections at the LHC, and find that combining WBF and Z+h_inv allows a relatively model-independent determination of the h_inv mass with an uncertainty of 35-50 GeV (15-20 GeV) with 10 (100) fb-1. At the Tevatron, a 3 sigma observation of a 120 GeV h_inv in any single channel is not possible with less than 12 fb-1 per detector. However, we show that combining the signal from WBF with the previously-studied Z+h_inv channel allows a 3 sigma observation of h_inv with 7 fb-1 per detector. Because of overwhelming irreducible backgrounds, h_inv+j is not a useful search channel at either the Tevatron or the LHC, despite the larger production rate.

연구 동기 및 목표

• 어둠성 물질 및 초대칭 모델에서 이론적 동기를 갖는 은폐된 채로 붕괴하는 힉스 보손(h_inv)의 LHC와 테바트론에서의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 실제 검출기 및 배경 조건 하에서 Z+h_inv, 약한 보손 융합(WBF), h_inv+j의 세 가지 생성 모드를 평가하기 위해.
• Z+h_inv 및 WBF 채널이 생산 단면적을 이용해 모델 매개변수에 종속되지 않는 힉스 질량 추출이 가능한지 확인하기 위해.
• 매우 큰 잔여 배경이 존재함에도 불구하고 h_inv+j 채널이 발견 채널로서의 가능성 여부를 평가하기 위해.
• 실험 및 채널에 따라 3σ 및 5σ 발견을 달성하기 위한 루미노미터 요구 조건을 정량화하기 위해.

제안 방법

• Z+h_inv 이벤트에서 미량의 횡방향 운동량(pT/), 고에너지 E_T를 갖는 제트, 고립된 렙톤을 탐지하기 위해 맞춤형 몬테카를로 시뮬레이션과 운동학적 절단 조건을 사용한다.
• 주요 배경인 WW, Z+jets, Z→νν+jets를 특히 h_inv+j 채널에서 억제하기 위해 엄격한 절단 조건을 적용한다.
• 표준모형(SM)의 생산 확률과 100% 은폐 붕괴 분율을 가진 Z+h_inv 신호를 모델링하며, 비표준모형의 경우 식 (13)과 (14)를 통해 결과를 스케일링한다.
• LHC에서 Z+h_inv와 WBF 단면적을 조합하여 생산 단면적과 BR_inv에 대한 의존성을 상쇄함으로써, 모델 매개변수에 종속되지 않는 h_inv 질량 추출을 수행한다.
• Z+h_inv 이벤트에서의 pT/ 분포를 질량 민감도가 있는 관측량으로 평가하며, 더 높은 h_inv 질량일수록 평균 pT/가 증가한다.
• 두 개의 테바트론 검출기에서의 통합 분석을 수행하여 Z+h_inv와 WBF 채널을 조합함으로써 7 fb⁻¹의 데이터로 3σ 관측 가능성을 높인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 Z+h_inv 채널이 통합 루미노미터 10 fb⁻¹로 120 GeV의 은폐된 힉스 보손에 대해 5σ의 발견을 달성할 수 있는가?
• RQ2 LHC에서 Z+h_inv 채널로 30 fb⁻¹의 데이터로 5σ 발견이 가능한 최대 힉스 질량은 얼마인가?
• RQ3 LHC에서 Z+h_inv와 WBF 생성 채널을 조합하면 모델에 종속되지 않는 은폐된 힉스 질량 측정이 가능한가?
• RQ4 매우 큰 잔여 배경이 존재함에도 불구하고 h_inv+j 채널이 LHC 또는 테바트론에서 은폐된 힉스 보손을 발견하는 데 유용한가?
• RQ5 테바트론에서 각 검출기당 7 fb⁻¹의 데이터로 Z+h_inv와 WBF 신호를 조합하면 120 GeV의 h_inv에 대해 3σ 관측이 가능한가?

주요 결과

• LHC는 통합 루미노미터 10 fb⁻¹으로 Z+h_inv 채널에서 120 GeV의 은폐된 힉스 보손에 대해 5σ의 발견 가능성을 확보할 수 있다.
• 30 fb⁻¹의 데이터로 LHC의 발견 범위는 Z+h_inv 채널에서 힉스 질량 160 GeV까지 확장된다.
• LHC에서 Z+h_inv와 WBF 생성을 조합하면 10 fb⁻¹의 데이터로 모델 매개변수에 종속되지 않는 h_inv 질량 측정이 가능하며, 불확실성은 35–50 GeV 수준이다.
• 통합 루미노미터 100 fb⁻¹로 데이터를 확보할 경우 h_inv 질량 추출의 불확실성은 15–20 GeV로 향상된다.
• 테바트론에서는 각 검출기당 7 fb⁻¹의 데이터로 Z+h_inv와 WBF 채널을 조합함으로써 120 GeV의 h_inv에 대해 3σ 관측이 가능하며, 개별 채널은 부족한 수준이지만 통합 분석으로 보완된다.
• h_inv+j 채널은 Z→νν+j 배경이 지배적으로 크기 때문에 LHC 또는 테바트론에서의 발견에 부적합하며, 이는 대규모 생산 단면적에도 불구하고 그렇다.