[논문 리뷰] Interference effects for H --> WW --> lvqq and H --> ZZ --> llqq searches in gluon fusion at the LHC

N. Kauer, Claire O’Brien외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 55인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 글루온 융합를 통해 힉스 보손이 WW 및 ZZ 최종 상태로 붕괴할 때 신호-배경 간섭 효과를 다루며, 주로 반입자-입자 붕괴 모드에 집중한다. 수준에서의 $gg \to Vq\bar{q}$ 배경(1/e²로 증폭됨)이 경량 및 고형량 힉스 질량 모두에서 순환 유도 $gg \to VV$ 배경보다 간섭을 지배함을 발견하였다. 이는 고차 QCD 효과가 주요 간섭 기여를 이끌 수 있음을 시사하며, 최적의 절단 조건 하에서 표준모형 힉스(125 GeV)의 경우 간섭 효과가 퍼밀레 수준으로 감소함을 의미한다.

ABSTRACT

Signal-background interference effects are studied for H --> WW and H --> ZZ searches in gluon fusion at the LHC. More specifically, the interference in the channels with semileptonic weak boson pair decay is analysed for light and heavy Higgs masses with minimal and realistic experimental selection cuts. In the semileptonic decay modes, the interference is affected by tree-level background contributions enhanced by 1/e^2 relative to the gluon-fusion continuum background in the fully leptonic decay modes. We find that for both light and heavy Higgs masses the interference with the loop-induced weak-boson pair background dominates over the interference with the tree-level weak-boson plus jets background for a range of selection cuts. We therefore conclude that higher-order background contributions can induce leading interference effects. With appropriate background suppression cuts the interference can be reduced to the 10% level for heavy Higgs masses, and to the per mille level for the light SM Higgs.

연구 동기 및 목표

• . 이 논문은 LHC에서 글루온 융합를 통해 H→WW 및 H→ZZ 반입자-입자 붕괴에서 힉스 신호와 배경 간섭 효과를 정량화하는 것을 목표로 한다.
• . 반입자-입자 채널에서 간섭의 체계적 다루움이 부족한 점을 다루며, 이는 완전히 입자-입자 모드에 비해 높은 비율을 보이지만 종종 간과당하는 경향이 있기 때문이다.
• . 특히 수준에서의 $gg \to Vq\bar{q}$ 및 순환 유도 $gg \to VV$ 배경으로부터의 간섭 기여를 평가한다.
• . 실제 실험 절단 조건 하에서 경량 및 고형량 힉스 질량에 대해 이러한 간섭 항목의 상대적 중요도를 파악하고자 한다.
• . 간섭의 영향을 통합 단면적 및 미분 분포에 미치는 영향을 평가하며, 특히 비공명 영역에서의 영향을 포함한다.

제안 방법

• . 저자들은 수준에서($\texttt{LO}$) $gg \to H \to VV \to \ell\ell q\bar{q}$ 및 $gg \to H \to VV \to \ell\bar{\nu} q\bar{q}$ 과정의 파arton 수준 앰피튜드를 계산하며, 전반적인 신호-배경 간섭을 포함한다.
• . 수치적 일관성을 확보하기 위해 공개 도구 $\texttt{gg2VV}$ 및 $\texttt{MadGraph5~aMC@NLO}$에 두 가지 독립적 구현을 사용한다.
• . 간섭은 힉스 신호 앰피튜드와 수준에서의 $gg \to Vq\bar{q}$ 및 순환 유도 $gg \to VV$ 배경 간에 평가되며, 후자는 전자기 상수에 비례하여 1/e²로 증폭된다.
• . 최소 및 현실적인 실험 선택 절단(예: 렙톤 및 제트의 운동량 요구 조건)을 포함하여 LHC 조건을 시뮬레이션한다.
• . 최종 상태의 벡터 보손의 진동 질량($M_{VV}$)에 대한 미분 분포를 계산하여, 힉스 공명 피크에서 벗어난 영역에서의 간섭 효과를 연구한다.
• . 총 간섭 기여가 신호 단면적에 비해 어느 정도인지 비교하며, 다양한 힉스 질량과 절단 체계에서의 크기를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 수준에서의 $gg \to Vq\bar{q}$ 및 순환 유도 $gg \to VV$ 배경은 반입자-입자 붕괴 H→WW 및 H→ZZ에서 힉스 신호와 어떻게 간섭하는가?
• RQ2 . 경량(125 GeV) 및 고형량(400 GeV) 힉스 보손에 대해 이러한 두 배경 유형의 간섭 효과 크기는 어떻게 상대적으로 다르게 나타나는가?
• RQ3 . 현실적인 실험 절단 조건은 통합 및 미분 단면적에서 신호-배경 간섭의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 . 배경 억제 절단 조건을 통해 WW 및 ZZ 반입자-입자 채널에서의 간섭 효과를 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ5 . 비공명 $M_{VV}$ 영역에서 간섭의 행동은 어떻게 되며, 왜 독립적 분석에 중요할까?

주요 결과

• . 경량 및 고형량 힉스 질량 모두에서, 모든 절단 체계에서 수준에서의 $gg \to Vq\bar{q}$ 배경과의 간섭이 순환 유도 $gg \to VV$ 배경과의 간섭보다 지배적이다.
• . 수준 배경이 순환 유도 배경보다 1/e²로 증폭됨에 따라, 이 간섭이 신호 영역에서 주요 기여가 된다.
• . 표준모형 힉스 보손(125 GeV)의 경우 적절한 배경 억제 절단 조건으로 통합 단면적에 대한 총 간섭 효과가 퍼밀레 수준으로 감소한다.
• . 400 GeV 힉스 보손의 경우 효과적인 배경 억제 절단 조건을 통해 간섭 효과를 10% 이하로 줄일 수 있다.
• . 비공명 $M_{VV}$ 영역에서는 간섭 효과가 신호 자체를 초월하며, 독립적 또는 미분 분석에 포함되어야 한다.
• . 독립적 선택 조건에서는 양음성 간섭 기여 간 부분 상쇄가 일반적으로 발생하지 않아, 고정밀 연구에서 간섭을 무시할 수 없다.