[논문 리뷰] Study of ttH (H -> mu mu) in the three lepton channel at sqrt(s) = 14 TeV; A Snowmass white paper

Jared Gregory Vasquez, J. Adelman외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 고광도 LHC(14 TeV, 3000 fb⁻¹)에서 삼중 렙톤 최종 상태에서 힉스 보손의 이무온 붕괴와 함께 쿼크 쌍으로서의 토프 쿼크를 생성하는 것(ttH → μ⁺μ⁻)을 관측할 수 있는지의 가능성을 조사한다. 빠른 시뮬레이션(Delphes)을 사용하여 평균 140개의 피루업을 고려한 결과, 우수한 이무온 질량 해상도에도 불구하고, 낮은 분해비와 작은 횡단단면으로 인해 신호는 극도로 억제되며, 선택 조건 이후 예상되는 신호 이벤트는 약 28개에 불과하고, 유의미한 수준은 약 1.9σ에 그쳐, 관측은 고급 다변량 기법이 없이는 매우 어렵다.

ABSTRACT

The H -> mu mu signature provides excellent mass resolution for Higgs bosons, and is therefore an important Higgs boson decay channel despite the small dimuon branching ratio. We present an optimization of selection criteria in a search for trilepton ttH (H -> mu mu) events, in which the top quark pair decays semi-leptonically, at a simulated High Luminosity LHC (HL-LHC) running at 14 TeV. The study is performed with 3000 fb^(-1) of simulated data with an average pileup of < mu > = 140. In this ultimate HL-LHC data set, we find that ttH (H -> mu mu) will be a very difficult signature to observe due to the very small expected signal.

연구 동기 및 목표

• 고광도 LHC에서 삼중 렙톤 채널을 이용한 ttH(H → μ⁺μ⁻) 탐지 감도 평가.
• 히iggs 보손의 낮은 이무온 분해비(2.2×10⁻⁴)와 낮은 ttH 생성 횡단단면이 신호 관측 가능성에 미치는 영향 평가.
• 고피루업 조건에서 삼중 렙톤 최종 상태의 ttH(H → μ⁺μ⁻)에 대한 이벤트 선택 기준 최적화.
• 이무온 질량 창 내에서 예상되는 신호 대 배경 비율과 통계적 유의미성 정량화.

제안 방법

• 일반적인 HL-LHC 검출기 모델과 입자 흐름 기반 피루업 보정을 적용한 Delphes 빠른 시뮬레이션을 이용한 시뮬레이션 데이터.
• 신호 생성은 MadGraph5(v2 beta)를 사용하고, 샤워링은 Pythia6로 수행; 배경 샘플은 공식 스노마스 에너지 프론티어 시뮬레이션 자료에서 취득.
• 이벤트 선택 조건으로 정확히 세 개의 재구성된 렙톤, 반대 전하의 두 개의 뮤온, 미소한 횡방향 운동량, b-제트 태깅, HT > 350 GeV 요구.
• t¯t, t¯tZ, t¯tW, t¯tWW 및 V+jets 배경 추정을 위해 몬테카를로 샘플 사용; 가짜 뮤온 비율은 동일 전하 이무온 t¯t 이벤트에서 유도.
• t¯t 이벤트에서 잘못 식별된 렙톤을 추정하기 위해 각 제트에 대해 가짜 비율(6.5×10⁻⁵) 적용.
• 120–130 GeV 이무온 질량 창 내 1 GeV 간격의 1GeV 간격으로 지수 곡선을 사용해 배경 피팅을 수행하고, S/√B 유의미성 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC에서 3000 fb⁻¹의 데이터로 삼중 렙톤 최종 상태에서 ttH(H → μ⁺μ⁻) 신호를 관측할 수 있는가?
• RQ2 선택 기준 최적화 및 배경 억제를 고려한 후 ttH(H → μ⁺μ⁻) 신호의 예상 유의미성은 얼마인가?
• RQ3 낮은 힉스 분해비와 낮은 ttH 횡단단면은 삼중 렙톤 채널에서의 신호 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 가짜 렙톤 기여는 주요 t¯t 배경에서 어떤 역할을 하며, 어떻게 모델링되는가?
• RQ5 운동량 및 불변 질량 컷을 통해 t¯tZ 배경과 신호를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 선택 조건을 통과한 후 예상되는 ttH(H → μ⁺μ⁻) 이벤트 수는 전자 및 뮤온 채널을 합쳐 약 27.6개이다.
• 통계적 불확실성만을 고려할 경우, 합쳐진 채널에서의 유의미성은 약 1.93σ이며, 발견 수준의 유의미성에 못 미친다.
• 정확히 세 개의 재구성된 렙톤을 요구한 후, 신호 수확은 약 54개로 감소하며, 뮤온 채널에서는 13.3개, 전자 채널에서는 14.3개이다.
• 주요 배경은 가짜 렙톤을 포함한 t¯t이며, Z 보손 질량 창(91–101 GeV) 내의 반대 전하 이무온 쌍을 거르는 것으로 t¯tZ 배경이 억제된다.
• t¯tZ 및 t¯tW 배경은 상당히 기여하며, 뮤온 채널과 전자 채널에서 각각 107.2개 및 137.1개의 예상 배경 이벤트가 있다.
• 이 연구는 삼중 렙톤 채널에서 ttH(H → μ⁺μ⁻) 신호의 관측이 표준 분석 기법으로는 극도로 어렵고, 발견을 위해서는 다변량 기법 또는 전부 하드론 붕괴 채널 연구가 필요하다고 결론 내린다.