[논문 리뷰] Measuring properties of a dark photon from semi-invisible decay of the Higgs boson

Hugues Beauchesne, Cheng-Wei Chiang|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 글루온 융합 및 Z 보어와 연관된 생산을 통해 반투명한 힉스 붕괴(h → γA′)를 통한 어두운 보스론 성질 측정의 가능성에 대해 연구한다. 마드그라프, 피티아, 델프스를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 LHC는 질량이 없는 어두운 보스론의 질량을 몇 GeV 이내로 제약할 수 있으며, 질량이 있는 어두운 보스론의 질량을 1 GeV 이내의 정밀도로 측정할 수 있음을 보여준다. 또한 어두운 보스론 신호가 약 95% 신뢰수준에서 중성미자 또는 중성자이온 대안과 구별될 수 있음을 입증하고, γA′ 과잉이 관측됨에도 불구하고 h → ZA′ 붕괴 채널이 탐지되지 않을 수 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

Considerable efforts have been dedicated to discovering a dark photon via the decay of the Higgs boson to a photon and an invisible particle. A subject that is still mostly unexplored is which properties of the dark photon could be measured at the LHC if an excess were to be found in this channel and whether we could determine if this signal is indeed that of a dark photon. In this paper, we seek to address some of these questions for two Higgs production channels: gluon-fusion and $Z$-associated. First, prospects are presented for the upper limit on the mass of a massless dark photon and for the uncertainty on the mass of a massive dark photon. Second, we study the feasibility of distinguishing this signal from that of the Higgs decaying to a gravitino and a neutralino that decays to a photon and another gravitino. Finally, the complementary possibility of observing the decay of the Higgs to a dark photon and a $Z$ boson is studied.

연구 동기 및 목표

• 반투명한 힉스 붕괴(h → γA′)에서 생성된 어두운 보스론의 질량을 LHC가 어느 정도 정밀도로 측정할 수 있는지 확인하는 것.
• h → γA′ 신호가 힉스가 중성미자로 붕괴하고, 중성자가 광자와 다른 중성미자로 붕괴하는 데 기인한 대안 가설과 어떻게 구별될 수 있는지 평가하는 것.
• γA′ 과잉 관측 결과와 h → ZA′ 붕괴 채널의 비관측 결과 간의 일관성 여부 평가.
• 실제 LHC 조건 하에서 글루온 융합과 Z 연관 생산 방식의 두 Higgs 생성 모드 간 성능 비교.

제안 방법

• 어두운 보스론 및 중성미자/중성자이온 시나리오에 대한 피에프레이즈 모델을 사용한 마드그라프 2.7.2를 통한 이벤트 생성.
• 파트론 쇼어링 및 하드론화를 피티아 8를 통해 수행하고, 디텍터 시뮬레이션은 델프스 3(CMS 설정)를 사용.
• 광자 식별 효율을 95%로 설정하고, LHC 힉스 탐색에서 관찰되는 바와 유사한 고립 조건 적용.
• QCD 제트 및 전자가 광자로 잘못 식별되는 배경은 실제 오인식 비율(전자의 경우 2%)을 반영하여 모델링.
• 신호 및 배경의 횡단면은 마드그라프의 NLO 功能을 사용해 NLO 수준에서 계산.
• 재구성된 진동 질량 분포의 통계적 분석을 통해 질량 결정 및 가설 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 h → γA′에서 과잉이 관측된 경우, LHC는 질량이 없는 어두운 보스론의 질량에 대해 어떤 상한을 설정할 수 있는가?
• RQ2 h → γA′ 채널에서 질량이 있는 어두운 보스론의 질량은 어느 정도 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ3 어두운 보스론 신호는 힉스가 중성미자로 붕괴하고, 중성자가 광자와 다른 중성미자로 붕괴하는 데 기인한 대안 가설과 어떻게 구별될 수 있는가?
• RQ4 h → γA′ 과잉 관측 결과와 h → ZA′ 붕괴 채널의 비관측 결과는 상호 일관성이 있는가?
• RQ5 글루온 융합과 Z 연관 생산 Higgs 생성 모드 간 결과에 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 최선의 경우, LHC는 질량이 없는 어두운 보스론의 질량에 대해 몇 GeV 이내의 상한을 설정할 수 있으며, 이는 신호의 유의성에 따라 달라진다.
• 질량이 있는 어두운 보스론의 질량은 1 GeV 이내의 정밀도로 측정 가능하며, 글루온 융합 채널에서 더 우수한 성능를 보인다.
• 신호가 어두운 보스론에 기인한 경우, 힉스가 중성미자로 붕괴하고 중성자가 광자와 다른 중성미자로 붕괴하는 대안 가설은 약 95% 신뢰수준에서 배제될 수 있다.
• 글루온 융합 채널은 Z 연관 생산 대비 질량 측정 및 가설 검증에 있어 더 뛰어난 감도를 보인다.
• 어두운 보스론이 가벼운 경우, h → ZA′ 붕괴 채널이 관측되지 않더라도 h → γA′ 과잉 관측 결과와 모순되지 않을 수 있다.
• 본 연구는 h → γA′ 채널이 LHC에서 어두운 보스론 성질을 탐색하는 데 실현 가능하고 상호보완적인 수단임을 확인한다.