[논문 리뷰] Model Independent Determination of $HWW$ coupling and Higgs total width at ILC

Claude Dürig, H. Fujii외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 국제 선형 충돌기(ILC)에서 250 GeV 및 500 GeV에서의 $e^+e^-$ 충돌을 이용하여 힉스 보손의 총 너비와 HWW 결합을 모델에 종속되지 않게 결정하는 방법을 제시한다. $WW$-융합 생성 과정인 $e^+e^- \to \nu\bar\nu H$ 이후에 $H \to b\bar b$ 및 $H \to WW^*$를 고려한다. 기본 루미노시티와 비스듬한 빔 편광 조건 하에서, 250 GeV에서 HWW 결합은 4.8%의 정밀도로 측정되며, 500 GeV에서는 1.2%로 향상된다. 이와 동시에 힉스 보손의 총 너지는 각각 11%와 5%의 정밀도로 결정된다.

ABSTRACT

This article is based on the talk presented at the International Workshop on Future Linear Colliders (LCWS13) which held during November 11-15, 2013 at Tokyo, Japan. We present several analyses related to the Higgs total width study at ILC based on the full detector simulation of ILD, which are \eevvH followed by \Htobb and \HtoWW. The studies show that at $\unit{250}{GeV}$ we can determine the Higgs total width with a relative precision of 11% and the $HWW$ coupling with 4.8%, whereas at $\unit{500}{GeV}$ the expected precision can be significantly improved to 5% and 1.2% respectively, assuming the baseline integrated luminosities of ILC, which are $\unit{250}{fb^{-1}}$ @ $\unit{250}{GeV}$, $\unit{500}{fb^{-1}}$ @ $\unit{500}{GeV}$, and a beam polarization of $P(e^{-},e^{+})=(-80%,+30%)$. A new approach of removing pile-up particles based on multivariate method developed during those analyses is also presented.

연구 동기 및 목표

• ILC에서 $WW$-융합 과정을 이용하여 모델에 종속되지 않는 힉스 총 너비와 HWW 결합을 결정하는 것을 목적으로 한다.
• LHC 또는 ILC에서 라인형태로부터 재구성하기에 너무 좁은 힉스 보손 총 너비의 직접 측정에 어려움이 있다는 문제를 해결한다.
• 250 GeV 및 500 GeV에서 $\nu\bar\nu H$ 생성 채널을 이용하여 $\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$ 및 $\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$의 정밀 측정을 추출한다.
• 고루미노시티 ILC 조건에서 피크업 오염을 억제하기 위해 다변량 방법을 개발하고 적용한다.
• 반열린 및 완전하게 하드론적인 $WW^*$ 붕괴 모드를 조합하여 HWW 결합과 총 너비에 대한 통계적 정밀도를 향상시킨다.

제안 방법

• ILD 검출기 모델을 사용한 전체 검출기 시뮬레이션을 통해 절대 단면적 $\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$ 및 $\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$를 측정한다.
• 고루미노시티 ILC 조건에서 피크업 입자를 억제하기 위해 다변량 분석 기법을 적용하여 신호 순도를 향상시킨다.
• 큰 미소 에너지, 큰 미소 횡방향 운동량, b-제트 억제를 포함한 이벤트 선택 기준을 적용하여 QCD 및 $W^+W^-$ 배경을 감소시킨다.
• 특히 전자 및 뮤온 유형의 최종 상태에서 $W^+W^- \to l\nu qq$ 및 $eeZ$/$e\nu W$ 배경을 억제하기 위해 각도 및 운동량 조건을 도입한다.
• 반열린 모드에서 두 제트로부터 $W$ 보손 질량을 재구성하고, 레프톤과 두 제트로부터 힉스 보손 질량을 재구성하여 신호 식별을 향상시킨다.
• 반열린 ($H \to l\nu + 2\text{-제트}$) 및 완전하게 하드론적인 ($H \to 4\text{-제트}$) $WW^*$ 붕괴 모드의 결과를 조합하여 통계적 유의도와 정밀도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ILC에서 $WW$-융합 생성 과정을 이용하여 모델에 종속되지 않는 정밀도로 힉스 총 너지를 결정할 수 있는가?
• RQ2 250 GeV 및 500 GeV ILC 에너지에서 $\nu\bar\nu H$ 이벤트를 이용하여 HWW 결합에 도달할 수 있는 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 고루미노시티 ILC 조건에서 다변량 피크업 억제 기법의 효과는 어떠한가?
• RQ4 500 GeV에서 $H \to WW^*$ 측정에 대해 반열린 모드와 완전하게 하드론적인 모드 중 어느 것이 더 높은 감도를 제공하는가?
• RQ5 250 GeV 및 500 GeV 운행 데이터를 조합하면 힉스 총 너비와 HWW 결합에 대한 전체 정밀도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 250 GeV에서 250 fb$^{-1}$ 루미노시티 및 $P(e^-, e^+) = (-80\%, +30\%)$ 조건 하에서, HWW 결합은 상대 정밀도 4.8%로 결정된다.
• 500 GeV에서 500 fb$^{-1}$ 루미노시티 및 동일한 빔 편광 조건 하에서, HWW 결합 정밀도는 1.2%로 향상된다.
• 두 에너지 데이터를 조합할 경우, 힉스 보손 총 너지는 250 GeV에서 11%의 상대 정밀도로, 500 GeV에서는 5%로 측정된다.
• 500 GeV에서 반열린 및 완전하게 하드론적인 $WW^*$ 붕괴 모드의 조합 분석을 통해 $\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$의 상대 정밀도는 2.4%에 도달한다.
• 반열린 분석의 경우 500 GeV에서 통계적 유의도가 22.8$\sigma$에 도달하며, 뮤온 유형 최종 상태에서는 17.4$\sigma$, 전자 유형 최종 상태에서는 14.7$\sigma$이다.
• 루미노시티 업그레이드 시나리오를 적용하면, 500 GeV에서 HWW 결합 정밀도는 0.58%로 향상되고, 250 GeV에서는 2.3%로 개선되며, 250 GeV 및 500 GeV 데이터를 조합할 경우 총 너비 정밀도는 2.5%에 도달한다.