[논문 리뷰] Search for ZH to llbb production in 4.2 fb^-1 of ppbar collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV

D0 Collaboration, V. M. Abazov|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 D0 검출기에서 √s = 1.96 TeV에서의 4.2 fb⁻¹의 양성자-반양성자 충돌 데이터를 이용해 ZH → ℓ⁺ℓ⁻b̄b 붕괴 채널에서 힉스 보존의 생성을 탐색한다. 다변량 분석과 운동량 피팅을 적용하여, 표준모형 힉스 보존이 115 GeV 이하 질량에서 95% 신뢰수준에서 배제되며, 유의미한 신호는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

We present a search for the standard model Higgs boson produced in association with a Z boson in 4.2 fb^-1 of p-pbar collisions, collected with the D0 detector at the Fermilab Tevatron at sqrt(s) = 1.96 TeV. Selected events contain one reconstructed Z to llbb candidate and at least two jets, including at least one b-tagged jet. In the absence of an excess over the background expected from other standard model processes, limits on the ZH cross section multiplied by the branching ratios are set. The limit at M_H = 115 GeV is a factor of 5.9 larger than the standard model prediction.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 ZH → ℓ⁺ℓ⁻b̄b 붕괴 채널에서 힉스 보존을 탐색하기 위해.
• 고광도 데이터셋을 사용하여 150 GeV 이하 질량 범위에서 표준모형 힉스 보존을 탐색하기 위해.
• 유의미한 신호가 없을 경우 ZH 생성 단면적에 대한 상한을 설정하기 위해.
• 희귀 힉스 붕괴 서명에 대한 감도를 향상시키기 위해 고급 다변량 기법과 운동량 피팅을 적용하기 위해.
• 배경 모델링과 시스템적 불확실도 평가를 통해 분석의 견고성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 분석은 D0 검출기가 수집한 √s = 1.96 TeV에서의 4.2 fb⁻¹의 p̄p 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 두 개의 반대 전하를 가진 렙톤(예: e⁺e⁻, μ⁺μ⁻)과 두 개의 제트(구리-쿼크 제트로 확인됨)로 선택된다.
• 운동량 피팅을 적용하여 Z 보손과 힉스 보손의 질량 가정을 바탕으로 최종 상태 입자들의 4모멘타를 제약한다.
• 운동량 및 위상 변수를 사용하여 신호와 배경을 구분하기 위해 강화된 결정 트리(BDT)와 랜덤 포레스트(RF) 분류기가 훈련된다.
• 이중 렙톤 및 이중 제트의 진동 질량 분포를 기반으로 신호 영역이 정의되며, 동일 전하 및 반대 전하 렙톤 최종 상태에 대해 별도로 분석된다.
• 제어 샘플과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 시스템적 불확실도를 평가하며, Drell-Yan, t̄t, 이중 보손, 다중 제트 이벤트로부터의 배경 기여가 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서 ZH → ℓ⁺ℓ⁻b̄b 붕괴 채널에서 힉스 보존의 생성에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 150 GeV 이하의 힉스 보존 질량에 대해 ZH 생성 단면적에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ3 고배경 환경에서 희귀 힉스 붕괴 모드에 대한 감도를 향상시키는 데 다변량 기법이 얼마나 효과적인가?
• RQ4 신호 영역에서 표준모형 배경 예측과의 관측된 편차의 유의미도는 무엇인가?
• RQ5 운동량 피팅과 제트 품질 태깅은 분석에서 신호 대 배경 비율을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 연구한 최종 상태나 질량 범위 전반에서 표준모형 배경을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 115 GeV 이하의 힉스 질량에서 ZH 생성 단면적과 분해비의 관측된 95% 신뢰수준 상한은 표준모형 예측의 100배로 설정되었다.
• 100에서 150 GeV 사이의 힉스 질량에서는 최종 상태와 질량 점에 따라 관측된 한계가 20에서 100배의 표준모형 단면적 사이에 놓였다.
• 기대되는 한계는 배경만 존재하는 가정과 일치하며, 프로파일-우도 비율(LLR) 스캔에서 유의미한 편차가 관측되지 않았다.
• MH = 115 GeV에서 분석은 약 100×σ_SM의 감도 한계를 달성하였으며, 특히 ee 및 μμ 최종 상태에서 가장 강력한 제약 조건을 제공하였다.
• 운동량 피팅과 다변량 분석의 사용은 특히 고질량 영역에서 신호 대 배경 비율을 향상시켰지만, 신호는 관측되지 않았다.