[논문 리뷰] Measuring the Higgsplosion Yield: Counting Large Higgs Multiplicities at Colliders

James S. Gainer|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 충돌기에서 지수적으로 증가하는 단면적 때문에 대량의 힉스 보손이 생성되는 가령의 현상인 힉스플로전의 현상학을 조사한다. 100 TeV 및 14 TeV 충돌기에서 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 제트 횡방향 운동량의 스칼라 합이 힉스 보손 다중성을 측정하는 데 가장 효과적인 관측량임을 규명하였으며, 이는 몇 개의 사건만으로도 10% 정밀도 측정이 가능함을 시사하지만, 정확한 다중성 결정을 위해서는 통계적 불확실성으로 인해 약 1,000개의 사건이 필요하다.

ABSTRACT

Recent work has brought renewed attention to the possibility that the cross section for producing $n$ Higgs bosons grows large with $n$ at a sufficiently energetic hadron collider. In particular, this "Higgsplosion'" mechanism has been suggested as a solution to the hierarchy problem. We investigate the phenomenology of this scenario. Discovery is trivial, so we consider several variables for use in measuring large Higgs multiplicities and evaluate their effectiveness. We find that a $10$% level measurement of the number of Higgs bosons is possible with a handful of events, using the scalar sum of jet transverse momenta, but determining the exact multiplicity may take a few thousand events, depending on the degree of statistical significance desired for the measurement. While this situation may be acceptable given the potentially large cross sections in this scenario, future research to improve the measurement is warranted.

연구 동기 및 목표

• 미래 충돌기에서 힉스플로전 사건에서 대량의 힉스 보손 다중성을 측정할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• 다른 힉스 보손 다중성 간을 구별하는 데에 적합한 운동량 변수를 평가하기 위해.
• 히iggs 보손 다중성 측정에 통계적으로 의미 있는 결과를 얻기 위해 필요한 사건 수를 결정하기 위해.
• 다변량 분석 기법이나 제트 서브스트럭처와 같은 고급 분석 기법의 잠재력을 탐색하여 측정 효율을 향상시키기 위해.

제안 방법

• LHE 파일과 NNPDF23_lo_as_0130_qed PDF를 사용하여 정지해 있는 100, 150, 200개의 힉스 보손을 가진 파arton 수준의 시뮬레이션 사건을 생성함.
• Pythia8와 DELPHES 3를 사용하여 이벤트를 처리하고, anti-kT 알고리즘과 ΔR < 0.4를 사용하여 제트 재구성함.
• 운동량 변수의 성능 평가: 제트 pT의 스칼라 합, 부족한 횡방향 에너지, 렙톤 격리도, √ŝmin.
• 다양한 힉스 보손 다중성에 걸쳐 이 변수들의 분포를 분석하여 통계적 정밀도 평가함.
• 다중성 측정의 1σ 불확실성을 추정하기 위해 분포를 약간 정규분포로 간주함.
• 다변량 분석 및 제트 서브스트럭처 기법을 통한 향상 가능성을 탐색하였으며, 변수 간 상관관계를 주목함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히iggs플로전 사건에서 다양한 힉스 보손 다중성을 구별하는 데에 제트 횡방향 운동량의 스칼라 합이 효과적인가?
• RQ2 히iggs 보손 다중성 측정에서 10% 정밀도를 확보하기 위해 얼마나 많은 사건이 필요한가?
• RQ3 1σ 유의수준에서 연속된 다중성(예: n=150 vs. n=151)을 구별하기 위해 필요한 사건 수는 얼마인가?
• RQ4 부족한 횡방향 에너지 및 √ŝmin과 같은 표준 운동량 변수들이 제트 pT의 스칼라 합에 비해 다중성 식별에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 다변량 또는 서브스트럭처 기반 분석이 정확한 힉스 보손 다중성 측정을 위해 필요한 사건 수를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 히iggs 보손 다중성을 측정하는 데 가장 효과적인 변수는 제트 pT의 스칼라 합이며, 이는 힉스 보손 한 개당 평균 약 90 GeV의 값을 가짐.
• 1σ 불확실성이 1회 측정당 30개 이하이므로, 단 10개 이하의 사건으로도 힉스 보손 다중성에 대해 10% 정밀도 측정이 가능함.
• 150 vs. 151개의 힉스 보손 다중성을 1σ 유의수준에서 구별하기 위해서는 약 700~900개의 사건이 필요함.
• 부족한 횡방향 에너지와 렙톤 격리도는 제한된 식별 능력을 보이며, 첫 번째 변수는 다중성 증가에 따라 약간 증가하고, 두 번째 변수는 다소 감소함.
• √ŝmin 변수는 제트 pT의 스칼라 합에 비해 효과가 떨어지며, 분포가 넓고 고값 쪽으로 긴 尾部를 가지기 때문임.
• 다변량 분석 또는 제트 서브스트럭처 기법을 통한 향상은 바람직하며, 변수 간 상관관계로 인해 수익 증가가 제한될 수 있음.