[论文解读] Measurement of the H to ZZ branching fraction at 350 GeV and 3 TeV CLIC

N. Vukašinović, I. Božović-Jelisavčić+6 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用CLIC_ILD探测器模型，对350 GeV和3 TeV质心系能量下Higgs玻色子衰变至ZZ*末态的分支分数进行了完整的模拟研究。结果表明，在分别假设5 ab⁻¹和1 ab⁻¹积分 luminosity 的条件下，Higgs产生截面与BR(H→ZZ*)的乘积在3 TeV下可实现3%的相对统计不确定性，在350 GeV下可实现18%的相对统计不确定性。

ABSTRACT

In this paper we present results of determination of the statistical precision of Higgs branching fraction measurement, for Higgs decay to ZZ$^\ast$ pairs at 3 TeV and 350 GeV CLIC. Measurements are simulated with the CLIC_ILD detector model, taking into consideration all relevant physics and beam-induced background processes. It is shown that the product of the branching fraction BR(${H ightarrow hinspace ZZ^\ast}$) and the Higgs production cross-section can be measured with a relative statistical uncertainty of 3% (18%) at 3 TeV (350 GeV) center-of-mass energy, using semileptonic final states and assuming integrated luminosity of 5 (1) ab$^{-1}$.

研究动机与目标

• 确定在350 GeV和3 TeV CLIC能量下，对H→ZZ*分支分数测量的统计精度。
• 评估束流诱导背景和束流辐射效应对信号重建和选择效率的影响。
• 评估多变量分析（MVA）和基于BDT的事件选择在分离H→ZZ*信号与主要本征背景方面的表现。
• 在实际CLIC运行条件下，预测σ × BR(H→ZZ*)乘积的预期统计不确定性。
• 比较不同能量阶段下测量的灵敏度，考虑不同的Higgs产生机制（Higgsstrahlung与WW融合）。

提出的方法

• 在350 GeV和3 TeV质心系能量下，使用CLIC_ILD探测器模型对H→ZZ*衰变进行完整模拟。
• 包含所有相关物理过程和束流诱导背景，包括γγ→qqll、e+e−→qqllν以及e+e−→HZ（H→WW）过程。
• 应用基于BDT分类器的多变量分析（MVA），该分类器在16个（3 TeV）和20个（350 GeV）敏感可观测量上进行训练，包括重建的Z玻色子质量、Higgs不变质量、极角、可见能量以及喷流标记概率。
• 事件选择基于两个孤立轻子（e±, μ±）、缺失能量，以及使用R=0.7的VLC算法进行喷流重建。
• 通过显著性S计算统计不确定性，使用公式：δ = 1/√S = √(NS + NB)/NS，其中NS和NB分别为信号和背景事件数。
• 引入束流辐射效应和真实的luminosity谱，包括1%的峰值luminosity用于信号效率评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3 TeV CLIC下，Higgs产生截面与BR(H→ZZ*)乘积的统计精度能达到何种水平？
• RQ2 由于Higgs产生机制不同，350 GeV与3 TeV CLIC下信号效率和背景抑制性能有何差异？
• RQ3 在两个能量阶段下，束流诱导背景在多大程度上限制了H→ZZ*测量的灵敏度？
• RQ4 基于BDT的多变量分析在3 TeV和350 GeV下分离H→ZZ*信号与主要不可约背景的效率如何？
• RQ5 在实际luminosity和探测器条件下，σ × BR(H→ZZ*)测量的预期统计不确定性是多少？

主要发现

• 在3 TeV CLIC下，假设积分luminosity为5 ab⁻¹，Higgs产生截面与BR(H→ZZ*)的乘积可实现3%的相对统计不确定性。
• 在350 GeV CLIC下，基于1 ab⁻¹的积分luminosity，该测量的相对统计不确定性为18%。
• 经过所有选择阶段后，3 TeV下的信号效率为39%，350 GeV下为18%，后者效率较低是由于信号率较低（在1 ab⁻¹下仅预期约240个事件）。
• 在3 TeV下，主要不可约背景为γγ→qqll，有672个选中事件；在350 GeV下，主要背景为e+e−→qqll，有10个选中事件。
• BDT分类器提升了信号选择效率，在所有选择步骤后，3 TeV下达到59%的效率，350 GeV下为23%。
• 3 TeV下的测量结果与先前研究的预测一致，验证了模拟框架和分析链的可靠性。