[논문 리뷰] Report of the Higgs Working Group of the Tevatron Run 2 SUSY/Higgs Workshop

Marcela Carena, JS Conway외 2명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 95

한 줄 요약

이 논문은 몬테카를로 시뮬레이션과 베이지안 통계 방법을 사용하여 페르미랩의 테바트론에서 런 2 동안 표준모형(SM) 및 최소 초대칭 표준모형(MSSM) 힉스 보손의 발견 잠재력을 평가한다. 3σ 증거를 확보하기 위해 180 GeV 이하의 SM 힉스 보손에 대해 각 검출기당 25 fb⁻¹의 통합 루미노시티가 필요하며, 5σ 발견은 30 fb⁻¹가 있더라도 약 130 GeV 이하의 힉스 질량에 한해 가능하다. MSSM 힉스 보손의 발견 요구 루미노시티는 매개변수 공간 전반에서 유사하며, 특히 높은 tanβ 영역에서 b\bar{b} 쌍과의 연계 생성을 통한 감도 향상으로 인해 증가한다.

ABSTRACT

This report presents the theoretical analysis relevant for Higgs physics at the upgraded Tevatron collider and documents the Higgs Working Group simulations to estimate the discovery reach in Run 2 for the Standard Model and MSSM Higgs bosons. Based on a simple detector simulation, we have determined the integrated luminosity necessary to discover the SM Higgs in the mass range 100-190 GeV. The first phase of the Run 2 Higgs search, with a total integrated luminosity of 2 fb-1 per detector, will provide a 95% CL exclusion sensitivity comparable to that expected at the end of the LEP2 run. With 10 fb-1 per detector, this exclusion will extend up to Higgs masses of 180 GeV, and a tantalizing 3 sigma effect will be visible if the Higgs mass lies below 125 GeV. With 25 fb-1 of integrated luminosity per detector, evidence for SM Higgs production at the 3 sigma level is possible for Higgs masses up to 180 GeV. However, the discovery reach is much less impressive for achieving a 5 sigma Higgs boson signal. Even with 30 fb-1 per detector, only Higgs bosons with masses up to about 130 GeV can be detected with 5 sigma significance. These results can also be re-interpreted in the MSSM framework and yield the required luminosities to discover at least one Higgs boson of the MSSM Higgs sector. With 5-10 fb-1 of data per detector, it will be possible to exclude at 95% CL nearly the entire MSSM Higgs parameter space, whereas 20-30 fb-1 is required to obtain a 5 sigma Higgs discovery over a significant portion of the parameter space. Moreover, in one interesting region of the MSSM parameter space (at large tan(beta)), the associated production of a Higgs boson and a b b-bar pair is significantly enhanced and provides potential for discovering a non-SM-like Higgs boson in Run 2.

연구 동기 및 목표

• 테바트론 런 2 기간 동안 업그레이드된 CDF 및 DØ 검출기들을 사용하여 표준모형 힉스 보손의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 특히 가벼운 CP-짝성 힉스 보손에 대해 최소 초대칭 표준모형(MSSM)의 힉스 섹터에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• SM 및 MSSM 힉스 보손에 대해 95% 신뢰수준(CL) 배제 및 3σ/5σ 발견의 정확도를 확보하기 위한 필요 통합 루미노시티를 결정하기 위해.
• 특히 높은 tanβ에서 b\bar{b} 쌍과의 연계 생성으로 민감도가 향상되는 MSSM에서의 향상된 탐색 채널을 탐색하기 위해.
• 발견 및 배제 결과를 해석하기 위한 통계적 프레임워크를 베이지안 사후 확률 밀도 함수와 빈도주의 신뢰구간을 기반으로 제공하기 위해.

제안 방법

• 신호 및 배경 이벤트 수를 힉스 질량과 통합 루미노시티의 함수로 추정하기 위해 단순한 검출기 시뮬레이션을 사용한다.
• 신호 강도 f에 대한 사후 확률 밀도 함수(p.d.f.)를 계산하기 위해 베이지안 통계를 적용하며, 신호( f=1)의 최대우도를 영가설( f=0)과 비교한다.
• 최대 사후 우도와 영가설의 우도 비율을 사용하여 통계적 유의성을 정의하고, 이를 등가의 정규분포 σ 수준으로 변환한다.
• 가짜 실험 집합을 활용하여 50%의 가능한 결과가 특정 유의성 기준(예: 3σ 또는 5σ)을 충족하는 데 필요한 루미노시티를 결정한다.
• 체계적 불확실성을 우도 계산에 가우시안 분포의 컨볼루션을 통해 통합하며, 수치적 적분을 통해 근사한다.
• SM 힉스 발견 요구 조건을 MSSM 매개변수 공간으로 재해석하여, 특히 가벼운 CP-짝성 힉스 및 높은 tanβ에서 b\bar{b} 쌍과의 연계 생성에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론이 100–190 GeV의 질량 범위에서 SM 힉스 보손을 95% CL로 배제하기 위해 필요한 통합 루미노시티는 얼마인가?
• RQ2 테바트론 런 2 프로그램에서 SM 힉스 보손에 대해 3σ 증거와 5σ 발견의 정확도를 확보하기 위해 필요한 루미노시티는 얼마인가?
• RQ3 특히 높은 tanβ 영역과 같은 매개변수 공간의 영역에서 MSSM 힉스 섹터의 발견 가능성이 SM과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 MSSM에서 비-SM 유형의 힉스 보손을 발견할 잠재력을 향상시키기 위해 힉스 보손과 b\bar{b} 쌍의 연계 생성이 얼마나 기여하는가?
• RQ5 낮은 통계 수치가 적용되는 상황에서, 예를 들어 힉스 탐색에 관련된 베이지안 사후 p.d.f.와 빈도주의 신뢰구간 간의 통계적 방법은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 각 검출기당 2 fb⁻¹의 통합 루미노시티로, 테바트론 런 2는 LEP2의 런 종료 시점에 예상되는 95% CL 배제 민감도에 도달할 수 있다.
• 각 검출기당 10 fb⁻¹일 경우, 95% CL 배제 범위는 힉스 질량 180 GeV까지 확장되며, 힉스 질량이 125 GeV 이하일 경우 3σ 효과가 관측 가능하다.
• 각 검출기당 25 fb⁻¹일 경우, 힉스 질량이 180 GeV 이하인 SM 힉스 생성에 대해 3σ 증거를 확보할 수 있다.
• 각 검출기당 30 fb⁻¹가 있더라도, 5σ 발견 정확도는 약 130 GeV 이하의 SM 힉스 질량에 한해 가능하다.
• MSSM의 경우, 각 검출기당 5–10 fb⁻¹로 거의 전체 힉스 매개변수 공간에 대해 95% CL 배제가 가능하며, 매개변수 공간의 상당 부분에서 5σ 발견을 확보하기 위해 각 검출기당 20–30 fb⁻¹가 필요하다.
• MSSM의 높은 tanβ 영역에서는 b\bar{b} 쌍과의 연계 생성으로 인해 비-SM 유형의 힉스 보손을 발견할 잠재력이 크게 향상된다.