[논문 리뷰] Multi-Lepton Signals of Top-Higgs Associated Production

Nathaniel Craig, Michael Park외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 t\bar{t}H 연관 생성을 탐색하기 위해 비공진 다중 렙톤 종단 상태와 b-태깅을 사용하는 것을 제안한다. 이는 힉스 보존이 τ⁺τ⁻ 및 WW*로 붕괴하고, 렙톤적 톰 생성이 일어나는 것을 활용한다. 연구는 CMS 다중 렙톤 및 동일 전하 이레프톤 검색을 조합함으로써 8 TeV 데이터 20 fb⁻¹에서 표준모형 비율의 μ < 5.0 이내의 기대 감도를 확보함을 보여주며, 기존의 4b 및 bbγγ 채널과 경쟁 가능하다.

ABSTRACT

We evaluate the potential to measure ttbar H associated production at the LHC using non-resonant multi-lepton final states in conjunction with two or more b-tags. The multi-lepton ttbar H signal arises predominantly from H to tau tau and H to WW^* alongside the semi-leptonic or fully leptonic decay of the ttbar pair. We demonstrate the power of a multi-lepton search for ttbar H associated production by recasting the CMS b-tagged multi-lepton search with 19.5 fb^-1 of 8 TeV data to obtain an observed (expected) limit of 4.7 (6.6) times the Standard Model rate, comparable to ongoing searches in 4b and bb gamma gamma final states. Sensitivity can be further improved by the addition of exclusive channels involving same-sign dileptons. We recast the CMS b-tagged same-sign dilepton search with 10.5 fb^-1 of 8 TeV data to set limits on ttbar H associated production, and approximately combine the two searches by calculating the fraction of same-sign dilepton signal events which do not satisfy multi-lepton selection criteria. We estimate an expected total non-resonant leptonic reach of mu &lt; 5.0 times the Standard Model rate in 20 fb^-1 of 8 TeV data, with improvements possible.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 t\bar{t}H 연관 생성을 탐색하기 위해 비공진 다중 렙톤 종단 상태와 b-태깅의 잠재력을 탐색하는 것.
• 다중 렙톤 및 동일 전하 이레프톤 채널을 조합하여 기존의 4b 및 bbγγ 종단 상태를 초월한 감도 향상을 도모하는 것.
• 새로운 물리학이 고리에서 간섭을 일으키지 않으며 b-쿼크 양자수에 의존도가 낮은, 독립적인 톰 양자수 측정을 제공하는 것.
• 재해석된 CMS 데이터와 배제된 신호 영역 조합을 사용하여 8 TeV LHC의 t\bar{t}H에 대한 기대 감도를 추정하는 것.

제안 방법

• 19.5 fb⁻¹의 8 TeV 다중 렙톤 검색을 재해석하여 t\bar{t}H 생성에 대한 한계를 설정한다.
• 10.5 fb⁻¹의 8 TeV 동일 전하 이레프톤 검색을 재해석하여 배제된 채널에서의 추가 감도를 추정한다.
• 다중 렙톤 선택 기준과 상호 배타적인 동일 전하 이레프톤 신호 이벤트 비율을 근사하여, 중복 계산 없이 검색을 조합한다.
• 신호 및 배경 기대치를 20 fb⁻¹로 스케일링하고 배경 불확도를 보수적으로 모델링하여 향후 감도를 추정한다.
• 동일 전하 이레프톤 채널에서 배제된 신호 가중치와 S_T 밴딩을 사용하여 포함된 한계를 초월한 감도 향상을 도모한다.
• 다중 렙톤 및 동일 전하 이레프톤 종단 상태의 결과를 조합하여 t\bar{t}H에 대한 총 비공진 렙톤 감지 능력을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공진 다중 렙톤 종단 상태와 b-태깅이 기존의 4b 및 bbγγ 채널과 비교해 경쟁 가능한 감도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 동일 전하 이레프톤 채널이 기존의 다중 렙톤 선택 조건을 초월해 t\bar{t}H 탐색의 감도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다중 렙톤 및 배제된 동일 전하 이레프톤 종단 상태를 조합할 경우, 8 TeV LHC의 t\bar{t}H 생성에 대한 기대 감도는 어떠한가?
• RQ4 제안된 방법이 b-쿼크나 고리 유도 과정에 의존하는 측정과는 별개로, 톰 양자수의 독립적인 측정을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 19.5 fb⁻¹의 8 TeV 데이터를 사용한 재해석된 CMS 다중 렙톤 검색은 t\bar{t}H 생성에 대해 관측된(기대된) 한계를 표준모형 비율의 μ < 4.7(6.6)로 설정한다.
• 배제된 동일 전하 이레프톤 채널을 포함함으로써 감도가 향상되어, 관측된(기대된) 한계가 3.8(5.2)로 추정된다.
• 20 fb⁻¹의 8 TeV 데이터로 외삽하면, 조합된 기대 감도는 표준모형 비율의 μ < 5.0 이내에 도달하며, 4b 및 bbγγ 종단 상태와 경쟁 가능하다.
• 이 방법은 b-쿼크 양자수 및 고리 유도 기여에 대한 불확도로부터 영향을 받지 않으며, 톰 양자수의 독립적인 측정을 가능하게 한다.
• 동일 전하 이레프톤 종단 상태를 배제된 S_T 밴드로 분할하고 빛의 투과도 증가로 배경 시스템적 오차를 감소시킴으로써 감도를 추가로 향상시킬 수 있다.