[논문 리뷰] Searching for the Higgs at hadron colliders using the missing mass method

M. Albrow, A. Rostovtsev|arXiv (Cornell University)|2000. 09. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서 배제적 프로톤-양프로톤 충돌에서 힉스 보존을 검색하기 위해 누락 질량 방법을 제안한다. 여기서 힉스 보존은 프로톤과 양프로톤과 반작용하여, 힉스 질량에서 누적 질량 스펙트럼에 피크를 형성한다. 100–200 GeV 범위에서 약 250 MeV의 분辩도를 확보함으로써, 런 II에서 15 fb⁻¹의 데이터로 실현 가능한 검색이 가능하다.

ABSTRACT

If the Higgs is produced with a large enough cross section in the {\em exclusive} reaction $p + \bar{p} o p + H + \bar{p}$ it will give rise to a peak at $M_H$ in the {\em missing mass} ($MM$) spectrum, calculated from the 4-momenta of the beam particles and the outgoing $p$ and $\bar{p}$. The resolution in $MM$ can be approximately 250 MeV, independent of $M_H$ from 100 GeV to 200 GeV. This high resolution makes a search feasible over nearly this full mass range at the Tevatron with 15 fb$^{-1}$ as hoped for in Run II.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 배제적 프로톤-양프로톤 충돌에서 힉스 보존을 탐지하기 위한 새로운 방법을 탐색하기 위해.
• 기존의 붕괴 채널 검색이 어려운 고다중도 환경에서 힉스 보존을 식별하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 누적 질량 기법이 힉스 질량에 관계없이 높은 분辩도를 제공하므로 광범위한 질량 범위에서의 검색이 가능하다는 것을 입증하기 위해.
• 테바트론 런 II에서 예상되는 15 fb⁻¹의 유효 루미너시를 바탕으로 이 방법을 사용해 힉스 보존을 탐지할 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 방법은 배제적 반응 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$에서 입사된 입자와 최종 상태의 프로톤 및 양프로톤의 4모멘타로부터 누적 질량을 재구성한다.
• 누적 질량은 $MM^2 = (p_{\text{beam}} - p_{\text{out}})^2$로 계산되며, 여기서 $p_{\text{beam}}$과 $p_{\text{out}}$은 각각 입사 및 최종 상태 입자의 4모멘타이다.
• $M_H$에서 누적 질량 스펙트럼에 피크가 나타나면, 질량 $M_H$를 갖는 힉스 보존이 존재함을 나타낸다.
• 이 방법은 외부 프로톤과 양프로톤의 정밀한 운동량 측정에 의존하여 힉스 신호를 분리한다.
• 누적 질량의 분辩도가 100–200 GeV 범위의 힉스 질량에 관계없이 약 250 MeV임을 보여준다.
• 계획된 런 II에서 15 fb⁻¹의 루미너시를 갖는 테바트론에 이 기법을 적용할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 누적 질량 방법은 넓은 질량 범위에서 높은 분辩도로 배제적 $p\bar{p}$ 충돌에서 힉스 보존을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 100 GeV에서 200 GeV 사이의 힉스 질량에 대해 누적 질량 스펙트럼의 실현 가능한 분辩도는 얼마인가?
• RQ3 15 fb⁻¹의 통합 루미너시를 갖는 테바트론에서 누적 질량 방법이 힉스 탐지에 실현 가능한가?
• RQ4 주어진 범위에서 힉스 보존 질량에 따라 누적 질량 방법의 분辩도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 누적 질량 방법은 하드론 충돌기에서 표준 붕괴 채널 검색의 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 100–200 GeV의 힉스 질량 범위에서 누적 질량 분辩도는 실제 힉스 질량에 관계없이 약 250 MeV이다.
• 배제적 반응 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$에서 힉스가 생성될 경우, $M_H$에서 누적 질량 스펙트럼에 검출 가능한 피크가 나타날 것으로 예상된다.
• 이 방법은 테바트론에서 거의 전체 100–200 GeV 질량 범위에서 실현 가능한 힉스 검색을 가능하게 한다.
• 15 fb⁻¹의 통합 루미너시를 갖는다면, 누적 질량 방법은 힉스 보존 탐지에 실현 가능한 길을 제공한다.
• 누적 질량 기법의 높은 분辩도는 힉스 보존과 같은 좁은 공명 상태를 배제적 최종 상태에서 식별하는 데 적합하다.
• 이 방법은 힉스 붕괴 제품에 의존하지 않기 때문에, 기존의 붕괴 기반 검색과 상호보완적이다.