[論文レビュー] Backgrounds To Higgs Boson Searches from Asymmetric Internal Conversion

Richard Gray, Can Kılıç+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、ヒッグス粒子探索におけるこれまでに無視されてきた背景を特定し、定量化している。それは、$W\gamma^*$生成におけるオーバーシュートした光子の非対称な内部変換であり、$\gamma^* \to \ell\ell$ からの追従するレプトンが再構築されないことで、即時レプトンを模倣する。研究では、7 TeVにおける $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ チャネルで、この背景の生成断面積がヒッグス信号と同等の大きさであることが判明し、多変量解析に課題をもたらし、データ駆動型の特徴付け手法の導入が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

A class of potential backgrounds for Higgs boson searches in the W W to di-lepton channel at both the Tevatron and Large Hadron Collider is presented. Backgrounds from W photon production with external conversion of the on-shell photon in detector material to an asymmetric electron-positron pair, with loss of the trailing electron or positron has been treated adequately in Higgs searches. Here we consider analogous backgrounds from the production of a W with an off-shell photon and with the internal conversion of the off-shell photon in vacuum to an asymmetric lepton-anti-lepton pair. While the former process yields almost entirely electrons or positrons, the latter can give electron, positron, muon, and anti-muon backgrounds in roughly equal amounts. We estimate that asymmetric internal conversion backgrounds are comparable to the Higgs boson signal in the standard signal region of phase space. These processes also represent potential backgrounds for new physics searches in same-sign di-lepton channels. Some data driven methods to characterize asymmetric internal conversion backgrounds are suggested.

研究の動機と目的

• オーバーシュートした光子の内部変換に起因する、これまでに考慮されていなかったヒッグス粒子探索の背景を特定・定量すること。
• ティーヴァトロンおよびLHCにおける $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 探索チャネルにおいて、非対称な内部変換の影響を評価すること。
• この背景が運動量分布および多変量解析手法においてヒッグス信号をどれほど模倣できるかを評価すること。
• 同一符号二レプトン標本を用いたデータ駆動型手法により、背景を特徴付け・制約することを提案すること。
• 非対称変換に起因する低運動量レプトンの検出器透過率をモデル化する際、モンテカルロシミュレーションの限界を強調すること。

提案手法

• 仮想光子が真空中でレプトン-反レプトン対に変換する $q\bar{q} \to W\gamma^* \to \ell\nu\ell'\ell'$ プロセスを分析。
• 部分子レベルの行列要素計算とPGSベースの透過率シミュレーションを用いて、断面積および信号に類似した生成断面積を推定。
• 標準のヒッグスおよび $WW$ 分析から得られる運動量選別基準を適用し、背景と信号の生成断面積を比較。
• 電荷対称性を活用して、同一符号二レプトン（SS）データ標本を用いて、逆符号（OS）LAME FAIC 背景を制約する手法を提案。
• OS LAME FAIC のモンテカルロシミュレーションの正確性を向上させるために、SS データを用いて検証することを提案。
• 仮想光子の初期状態および最終状態放射（$W$ボソン頂点放射を含む）の寄与を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス粒子探索の $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ チャネルにおいて、非対称なレプトン対生成を伴う $W\gamma^*$ 内部変換背景はどの程度顕著か？
• RQ2 非対称な内部変換イベントの運動量的性質は、ヒッグス信号とどの程度類似しているか？
• RQ3 同一符号二レプトン標本を用いたデータ駆動型技術が、逆符号内部変換背景を効果的に制約できるか？
• RQ4 なぜ現在のモンテカルロシミュレーションは、この背景の検出器透過率を正確にモデル化できないのか？
• RQ5 電子、ミューオン、タウの最終状態のうち、内部変換背景に寄与する相対的寄与率はどの程度か？

主な発見

• 選別後、$e^+e^-$ 終状態では7.7 fb、$e^\pm\mu^\mp$ では57 fb、$\mu^+\mu^-$ では3.4 fb の LAME FAIC 背景断面積が、130 GeV ヒッグス信号と同等の大きさである。
• 標準のヒッグス選別カットを適用した後も、LAME FAIC 背景はヒッグス信号生成断面積のおよそ20％に留まるため、無視できない影響を示している。
• 電荷共役対称性により、同一符号および逆符号の二レプトン対が等量に生成されるため、SS 標本を用いたデータ駆動型制約が可能である。
• 低運動量で消失するレプトンが残りのレプトンのトラッキングおよび隔離度に与える影響をシミュレートするのが困難なため、現在のモンテカルロシミュレーションではこの背景が適切にモデル化されていない。
• 内部変換背景は電子に限定されず、ミューオンやタウレプトンからの寄与も顕著である。これは外部変換とは異なり、外部変換は主に電子に起因する。
• 本研究では、最近のティーヴァトロンおよびLHCの結果において、この背景が無視されている可能性があるという分析のギャップを特定した。