[논문 리뷰] Intermediate-Mass Higgs Searches in Weak Boson Fusion

David L. Rainwater|ArXiv.org|1999. 08. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 중간 질량 힉스 보손을 위한 강력한 탐색 채널로 약한 보손 융합(WBF)을 제안하며, $H\to\gamma\gamma$, $H\to W^{(*)}W^{(*)}$, 및 $H\to\tau^+\tau^-$ 붕괴가 낮은 루미노시티(40–50 fb$^{-1}$, $H\to\gamma\gamma$ 기준; 2–10 fb$^{-1}$, $H\to W^{(*)}W^{(*))}$ 기준)로도 $S/B > 1$ 이며 $5\sigma$ 발견이 가능하다는 것을 입증한다. 또한 $H\to\tau\tau$ 붕괴를 통해 힉스- fermion 결합을 직접 측정할 수 있는 핵심 도구로 WBF를 확립하며, 약 60 fb$^{-1}$의 루미노시티로 LEP2의 탐색 한계를 초월한 MSSM 매개변수 공간을 커버한다.

ABSTRACT

Weak boson fusion is a copious source of intermediate mass Higgs bosons at the LHC. The additional very energetic forward jets in these events are powerful background suppression tools. I analyze the decays H -> gamma gamma and H -> W^(*)W^(*) -> e mu pTmiss, with the latter a potential discovery channel, and the decay H -> tau tau -> lep had pTmiss as a method for achieving the first direct measurement of a Higgs-fermion coupling. I perform parton level analyses of the signal and dominant backgrounds for each decay mode, and demonstrate kinematic cuts and other important tools neccessary to achieve an S/B > 1/1 rate in all cases. I also perform cross section calculations with additional gluon emission which provide an estimate of a minijet veto probability. I show that a 5 sigma H -> gamma gamma observation can be made for 110 GeV < M_H < 150 GeV with modest luminosity, order 40-50 fb^-1, overlapping the region explored by the CERN LEP and Fermilab Tevatron. For 130 GeV < M_H < 200 GeV, I show that H -> WW can achieve a 5 sigma observation with S/B much greater than 1/1 with extremely low luminosity, about 2-10 fb^-1 over almost the entire range. This is the most promising search channel in the 130-200 GeV mass range. It overlaps the H -> gamma gamma region and nicely complements the H -> WW measurement that can be made with very low luminosity in inclusive gg -> H production. I further show that a Higgs-fermion coupling can be directly measured via the H -> tau tau decay with only about 60 fb^-1.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 약한 보손 융합(WBF)을 통한 중간 질량 힉스 보손에 대한 고감도 탐색 전략을 개발하고 평가하기.
• 힉스 신호 탐지에서 지배적인 QCD 및 전자약력 배경을 억제하는 과제를 해결하기.
• WBF에서 $H\to\tau^+\tau^-$ 붕괴를 통해 힉스- fermion 결합의 첫 번째 직접 측정을 가능하게 하기.
• 다양한 붕괴 모드에서 $5\sigma$ 발견을 위해 필요한 루미노시티 및 운동학적 컷을 결정하기.
• 특히 MSSM 매개변수 공간에서 LEP2 및 테바트론의 한계를 초월한 힉스 탐색의 범위를 확장하기.

제안 방법

• WBF에서 $H\to\gamma\gamma$, $H\to W^{(*)}W^{(*)}$, 및 $H\to\tau^+\tau^-$ 붕괴에 대해 신호 및 배경 단면을 모의하기 위해 파arton 수준 몽테카를로 시뮬레이션 수행.
• 운동학적 컷과 제트 기반 도구—특히 미니제트 금지 기준—을 적용하여 QCD 및 전자약력 배경 억제.
• 신호 및 배경 과정의 행렬 요소를 파톤 수준에서 생성하기 위해 MadGraph 사용.
• 추가적인 글루온 복사 포함하여 미니제트 금지 확률 추정을 위한 단면 계산.
• 각 붕괴 채널에 대해 $5\sigma$ 발견 가능 범위를 결정하기 위해 포isson 기반의 통계적 유의도 계산 수행.
• 30 fb$^{-1}$ 초과 루미노시티에서의 피크업 효과는 0.8의 효율성 요소를 통해 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 루미노시티로 $110 < M_H < 150$ GeV 범위에서 $H\to\gamma\gamma$ 붕괴가 WBF에서 $5\sigma$ 발견을 달성할 수 있는가?
• RQ2 130–200 GeV 범위에서 매우 낮은 루미노시티(2–10 fb$^{-1}$)로 $H\to W^{(*)}W^{(*))}$ 붕괴가 WBF에서 $S/B \gg 1$ 조건으로 $5\sigma$ 발견을 달성할 수 있는가?
• RQ3 WBF에서 $H\to\tau^+\tau^-$ 붕괴가 약 60 fb$^{-1}$의 루미노시티로 힉스- fermion 결합의 직접 측정을 가능하게 하는가?
• RQ4 WBF 채널이 MSSM 힉스 매개변수 공간을 커버하는 데 있어 포함적 $gg\to H$ 생성과 어떻게 상호보완적인가?
• RQ5 특히 전이 영역에서, MSSM 매개변수 공간 전반에 걸쳐 $h/H\to\tau\tau$의 $5\sigma$ 발견 가능 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 낮은 기계 루미노시티 조건에서 $110 < M_H < 150$ GeV 범위에서 $H\to\gamma\gamma$의 $5\sigma$ 관측이 통합 루미노시티 40–50 fb$^{-1}$로 가능하다.
• 130 < M_H < 200 GeV 범위에서 WBF에서 $H\to W^{(*)}W^{(*))}$ 붕괴는 루미노시티 2–10 fb$^{-1}$로도 $S/B \gg 1$ 조건에서 $5\sigma$ 발견이 가능하여 이 질량 범위에서 가장 유망한 채널이다.
• WBF에서 $H\to\tau^+\tau^-$ 붕괴는 약 60 fb$^{-1}$의 루미노시티로 힉스- fermion 결합의 직접 측정을 가능하게 한다.
• $h/H\to\tau\tau$의 $5\sigma$ 발견 윤곽선은 MSSM 매개변수 공간의 넓은 영역을 커버하며, 특히 $h$와 $H$가 모두 가벼운 전이 영역에서 혼합 효과가 두드러진다.
• WBF에서의 $H\to\tau\tau$ 탐색은 탄탄하고, $H\to\gamma\gamma$와 상호보완적이며, $\tau\tau$ 붕괴가 지배적이고 $\gamma\gamma$ 붕괴가 억제되는 영역을 커버한다.
• WBF에서의 $H\to\gamma\gamma$ 및 $H\to\tau\tau$ 탐색 조합은 LEP2 탐색에 실패한 후 남은 전체 MSSM 매개변수 공간을 커버하는 '이길 수 없는 전략'을 제공한다.