[論文レビュー] Searching for the Higgs at hadron colliders using the missing mass method

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、テバトロンにおける陽子-反陽子衝突において、Higgs ボソンが陽子と反陽子に対して再結合する際、Higgs ボソン質量でピークを示す欠落質量スペクトルを検出するための欠落質量法の使用を提案している。100–200 GeV の範囲で約 250 MeV のエネルギー分解能を有するため、Run II の 15 fb⁻¹ のデータ量でも実現可能な探索が可能である。

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.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突装置における排他的陽子-反陽子衝突における Higgs ボソンを検出するための新しい手法の検討。
• 従来の崩壊チャネル探索が困難な高多重度環境において Higgs ボソンを同定するという課題への対処。
• 欠落質量技術が Higgs ボソン質量に依存せず高い分解能を発揮することを示し、広い質量範囲での探索を可能にすること。
• テバトロン Run II の予想される 15 fb⁻¹ の放射光強度を用いた、この手法による Higgs ボソン検出の実現可能性の評価。

提案手法

• この手法は、排他的反応 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$ の初期ビーム粒子および最終状態の陽子と反陽子の 4 ベクトルから欠落質量を再構築する。
• 欠落質量は $MM^2 = (p_{\text{beam}} - p_{\text{out}})^2$ として計算され、ここで $p_{\text{beam}}$ と $p_{\text{out}}$ は初期状態および最終状態の粒子の 4 ベクトルを表す。
• $M_H$ で欠落質量スペクトルにピークが現れるのは、質量 $M_H$ の Higgs ボソンが存在することを示している。
• この手法は、Higgs シグナルを分離するために、出射陽子と反陽子の精密な運動量測定に依存している。
• 欠落質量の分解能が、100–200 GeV の範囲で Higgs ボソン質量に依存せず約 250 MeV であることが示されている。
• この技術は、Run II で予定されている 15 fb⁻¹ の放射光強度を持つテバトロンに適用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠落質量法は、広い質量範囲にわたり高い分解能を発揮するか、排他的 $p\bar{p}$ 衝突において Higgs ボソンを検出可能か？
• RQ2 100 GeV から 200 GeV の Higgs 質量における、欠落質量スペクトルの達成可能な分解能は何か？
• RQ3 15 fb⁻¹ の統合放射光強度を有するテバトロンにおいて、欠落質量法が Higgs ボソン検出に実現可能か？
• RQ4 指定された範囲における Higgs ボソン質量に依存して、欠落質量法の分解能はどのように変化するか？
• RQ5 欠落質量法は、ハドロン衝突装置における標準的な崩壊チャネル探索の代替手段として実用的か？

主な発見

• Higgs ボソン質量が 100–200 GeV の範囲にわたり、欠落質量の分解能は約 250 MeV であり、実際の Higgs ボソン質量に依存しない。
• Higgs ボソンが排他的反応 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$ で生成される場合、$M_H$ で欠落質量スペクトルに検出可能なピークが予想される。
• この手法により、テバトロンにおけるほぼ全範囲の 100–200 GeV の質量領域での Higgs 探索が実現可能である。
• 15 fb⁻¹ の統合放射光強度を有する場合、欠落質量法は Higgs ボソン検出の実現可能な道筋を提供する。
• 欠落質量技術の高い分解能は、排他的最終状態における幅の狭い共鳴状態（例：Higgs ボソン）の同定に適している。
• この手法は Higgs ボソンの崩壊生成物に依存しないため、従来の崩壊ベースの探索とは補完的である。