[論文レビュー] Measuring properties of a dark photon from semi-invisible decay of the Higgs boson

Hugues Beauchesne, Cheng-Wei Chiang|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける半可視的ヒッグス崩壊（h → γA′）を通じたダークフォトンの性質の測定可能性を調査し、グルーオン融合およびZボソン関連生成を焦点としている。MadGraph、PYTHIA、Delphesを用いたモンテカルロシミュレーションにより、LHCは質量の小さいダークフォトンの質量に対して数GeVの制限を課すことができ、質量のあるダークフォトンの質量を1GeV未塔の精度で測定できることが示された。さらに、95%信頼水準でダークフォトン信号とニュートリノ型の代替仮説（ヒッグスがグルービノに崩壊し、それから中性ノイザーが光子と別のグルービノに崩壊する）を区別できることを示し、γA′過剰が観測されてもh → ZA′崩壊チャネルが観測されない状況は矛盾しないことが示された。

ABSTRACT

Considerable efforts have been dedicated to discovering a dark photon via the decay of the Higgs boson to a photon and an invisible particle. A subject that is still mostly unexplored is which properties of the dark photon could be measured at the LHC if an excess were to be found in this channel and whether we could determine if this signal is indeed that of a dark photon. In this paper, we seek to address some of these questions for two Higgs production channels: gluon-fusion and $Z$-associated. First, prospects are presented for the upper limit on the mass of a massless dark photon and for the uncertainty on the mass of a massive dark photon. Second, we study the feasibility of distinguishing this signal from that of the Higgs decaying to a gravitino and a neutralino that decays to a photon and another gravitino. Finally, the complementary possibility of observing the decay of the Higgs to a dark photon and a $Z$ boson is studied.

研究の動機と目的

• 半可視的ヒッグス崩壊（h → γA′）を通じて生成されるダークフォトンの質量をLHCがどの程度の精度で測定できるかを特定すること。
• h → γA′信号が、ヒッグスがグルービノに崩壊し、それから中性ノイザーが光子と別のグルービノに崩壊するという代替仮説と区別可能かどうかを評価すること。
• γA′過剰が観測された場合、h → ZA′崩壊チャネルが観測されない状況が整合的かどうかを評価すること。
• 現実的なLHC環境下でのグルーオン融合とZ関連生成という2つのヒッグス生成モードの性能を比較すること。

提案手法

• ダークフォトンおよびグルービノ／ニュートリノ型のシナリオのためのFeynRulesモデルを用いて、MadGraph 2.7.2でイベント生成。
• パートンシャワーリングとハドロン化はPYTHIA 8で実行し、検出器シミュレーションはDelphes 3（CMS設定）を用いた。
• 光子識別効率を95%に設定し、LHCのヒッグス探索で見られるような分離要件を模倣した。
• QCDジェットおよび電子が光子に誤識別される背景は、現実的な誤認識率（電子の場合2%）を用いてモデル化した。
• 信号および背景の断面積は、MadGraphのNLO機能を用いてNLOで計算した。
• 再構成されたインバリアント質量分布の統計的解析により、質量の特定と仮説検定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 h → γA′で過剰が観測された場合、LHCは質量のないダークフォトンの質量に対してどの程度の上限を設定できるか？
• RQ2 h → γA′チャネルにおいて、質量のあるダークフォトンの質量はどの程度の精度で測定できるか？
• RQ3 h → γA′信号は、ヒッグスがグルービノに崩壊し、中性ノイザーが光子と別のグルービノに崩壊するという代替仮説と区別可能か？
• RQ4 h → γA′過剰の観測が、h → ZA′崩壊チャネルの非観測と整合的か？
• RQ5 グルーオン融合とZ関連生成という2つのヒッグス生成モードの間で、結果にどのような差が生じるか？

主な発見

• 最良の状況下で、LHCは質量のないダークフォトンの質量に対して数GeVの上限を課すことができ、これは信号の有意水準に依存する。
• 質量のあるダークフォトンの質量は、1GeV未塔の精度で測定可能であり、グルーオン融合チャネルでより優れた性能を示す。
• 信号がダークフォトン由来である場合、ヒッグスがグルービノに崩壊し、中性ノイザーが光子と別のグルービノに崩壊するという代替仮説は約95%信頼水準で除外できる。
• グルーオン融合チャネルは、Z関連生成に比べて質量測定および仮説検定において優れた感度を示す。
• 特にダークフォトンが軽い場合、h → ZA′崩壊が観測されないまま、h → γA′過剰が観測されることは矛盾しない。
• 本研究は、h → γA′チャネルがLHCにおけるダークフォトン性質の代替的で有効なプローブであることを確認した。