[논문 리뷰] Double Parton Scattering in Associate Higgs Boson Production with Bottom Quarks at Hadron Colliders

M. Y. Hussein|ArXiv.org|2007. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 bottom 쿼크와 함께 힉스 보존 생성 시 배경으로서의 이중 파arton 산란(DPS)을 조사하며, 높은 파톤 루미너시로 인해 $b\bar{b}h$ 최종 상태에서 DPS 기여가 상당히 크다는 것을 보여준다. 인과적 이중 파톤 분포와 효과적 단면적 파arameter $\sigma_{\text{eff}} = 1.45$ mb를 사용하여, DPS 단면적이 힉스 신호 탐지에 영향을 줄 만큼 충분히 크며, 특히 b-제트를 태그한 하드론성 붕괴 채널에서 그러하다.

ABSTRACT

Higgs boson production in association with bottom quarks, is one of the most important discovery channels for Higgs particles in the Standard Model (SM) and its supersymmetric extension at the LHC pp collider . The theoretical prediction of the corresponding cross section has been improved by including the complete next-to-leading order QCD corrections. We review the status results for the leading order to the partonic process and present calculations for the integrated cross-section in both single and double parton scattering collisions.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 bottom 쿼크와 함께 힉스 보존 생성에 대한 이중 파톤 산란(DPS)의 기여를 평가하는 것.
• $b\bar{b}h$ 최종 상태에 대한 DPS 단면적을 정량화하여, 하드론성 붕괴에서 힉스 신호 식별에 핵심적인 영향을 미친다는 것을 확인하는 것.
• 특히 MSSM에서 큰 $\tan\beta$ 조건에서 bottom-Yukawa 상호작용이 강화된 경우, DPS가 $b\bar{b}h$ 채널에서 의미 있는 배경 기여를 할 수 있는지 평가하는 것.
• 실험적 태그에 관련된 독립적인 최종 상태에 대해 $p_T(b) > 20$ GeV 조건을 적용한 이론적 단면적 예측을 제공하는 것.

제안 방법

• 이중 파톤 분포 함수(dPDFs)를 사용하여 양성자-양성자 충돌에서 동시에 일어나는 파톤 상호작용을 모델링한다.
• CDF 데이터에서 유도된 효과적 단면적 파arameter $\sigma_{\text{eff}} = 1.45 \pm 1.7^{+1.7}_{-2.3}$ mb를 사용하여 DPS 단면적 계산을 단순화한다.
• 포괄적 DPS 단면적은 $\sigma_{(A,B)}^{D} = \frac{m}{2} \frac{\hat{\sigma}(A)\hat{\sigma}(B)}{\sigma_{\text{eff}}}$ 식으로 계산되며, $m=2$는 구별 가능한 과정에 해당한다.
• MadGraph와 HELAS를 사용하여 $q\bar{q}, gg \to b\bar{b}h$의 고체 수준 행렬 원소를 계산하고, 통합은 VEGAS를 통해 수행한다.
• 실험적 태그에 적합한 독립적인 최종 상태를 식별하기 위해 $p_T(b) > 20$ GeV 조건을 적용한다.
• MRST 파톤 분포 함수를 사용하여 $\sqrt{s} = 14$ TeV 조건에서 힉스 질량에 따른 1차 순서 단면적을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 힉스 보존 생성의 $b\bar{b}h$ 최종 상태에 대한 이중 파톤 산란의 기여는 어떠한가?
• RQ2 효과적 단면적 $\sigma_{\text{eff}}$ 는 $b\bar{b}h$ 생성에 대한 DPS 단면적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DPS 오염은 하드론성 붕괴에서 힉스 보존 탐지에 얼마나 큰 영향을 미치는가, 특히 $p_T > 20$ GeV 조건을 적용한 경우?
• RQ4 하중하중 쿼크의 횡방향 운동량($p_T > 20$ GeV)에 대한 운동학적 절단 조건이 DPS 단면적과 배경 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MSSM에서 큰 $\tan\beta$ 조건에서 bottom-Yukawa 상호작용이 강화된 경우, DPS가 $b\bar{b}h$ 채널에서 주요 배경 기여원이 될 수 있는가?

주요 결과

• LHC에서의 $b\bar{b}h$ 생성에 대한 이중 파톤 산란 단면적은 높은 $b\bar{b}$ 쌍 루미너시로 인해 상당히 크다.
• $\sigma_{\text{eff}} = 1.45$ mb를 사용하여, $b\bar{b}h$ 생성에 대한 DPS 기여는 무시할 수 없으며 실험 분석에서 고려해야 한다.
• 큰 $\tan\beta$ 조건에서는 bottom-Yukawa 상호작용이 크게 증가하여 $b\bar{b}h$ 생성이 MSSM 등의 모델에서 지배적인 상태가 되며, 이로 인해 DPS 단면적이 증가한다.
• $p_T(b) > 20$ GeV 조건을 적용한 운동학적 절단은 단면적을 한두 수준까지 감소시키지만, 배경 억제를 크게 향상시키고 신호 순도를 높인다.
• 단면적이 감소함에도 불구하고, $b\bar{b}$ 쌍 생성 빈도가 매우 높기 때문에 DPS 메커니즘은 하드론성 붕괴 모드에서 여전히 중요한 배경 기여원으로 남아 있다.
• 이 연구는 QCD 배경이 매우 큰 만큼, $b\bar{b}h$ 최종 상태를 가진 개별 하드론성 채널은 각각의 경우에 대해 별도로 분석해야 한다고 결론 내린다.