[論文レビュー] Studies of measuring Higgs self-coupling with $HH ightarrow b\bar b \gamma\gamma$ at the future hadron colliders

Weiming Yao|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 32

ひとこと要約

本研究は、将来のハドロン衝突機（中心系エネルギー14、33、100 TeV）におけるHiggs自己結合定数の測定可能性を、HH → b̄bγγ崩壊モードを用いて評価する。Delphes 3.0.10を用いたATLAS検出器パラメータに基づく高速モンテカルロシミュレーションにより、3 ab⁻¹のデータ量で、それぞれ50%、20%、8%の統計的精度でHiggs自己結合定数を測定可能であることが示された。これは、標準模型を超える新しい物理を直接的に探る手がかりを提供する。

ABSTRACT

We present a feasibility study of observing $HH ightarrow b\bar b\gamma\gamma$ at the future hadron colliders with $\sqrt{s}=$14, 33, and 100 TeV. The measured cross section then can be used to constrain the Higgs self-coupling directly in the standard model. Any deviation could be a sign of new physics. The signal and background events are estimated using Delphes 3.0.10 fast Monte Carlo simulation based on the ATLAS detector capabilities. With 3 ab$^{-1}$ data, it would be possible to measure the Higgs self-coupling with a 50%, 20%, and 8% statistical accuracy by observing $HH ightarrow b\bar b\gamma\gamma$ at $\sqrt{s}=$14, 33, and 100 TeV colliders, respectively.

研究の動機と目的

• 将来のハドロン衝突機（中心系エネルギー14、33、100 TeV）におけるHiggs自己結合定数の測定可能性を評価すること。
• Higgs自己結合定数の標準模型予測からのずれを探るため、HH → b̄bγγ崩壊モードの感受性を評価すること。
• 現実的な検出器条件およびバックグラウンド抑制を想定した場合に、この最終状態を用いてHiggs自己結合定数を測定可能な統計的精度を定量化すること。
• 信号とバックグラウンドのイベントレートおよび運動量分布を比較し、信号強調に最適なイベント選択基準を決定すること。

提案手法

• 信号およびバックグラウンドイベントは、ATLAS検出器応答モデル（光子エネルギー分解能σET/ET = 0.20/√ET ⊕ 0.17%、bタグ効率75%、誤タグ率1%）を用いたDelphes 3.0.10でシミュレートされた。
• グルーオン融合過程gg → HHはHPAIR + PYTHIA6.2で、バックグラウンド過程はMadGraph 5 + PYTHIA8.0を用い、二重カウントを回避するためMLMマッチングを適用した。
• イベント選択には、2つのbジェット（Et > 35 GeV、|η| < 2.5）と2つの分離した光子（Et > 35 GeV、|η| < 2.5）を要件とし、b̄bおよびγγ系のインバリアント質量をそれぞれ85–135 GeV/c²および120–130 GeV/c²に制限した。
• ΔR、Pt、およびインバリアント質量（Mb̄b、Mγγ、Mb̄bγγ）などの運動量変数を用いて、t̄t、Z(b̄b)H(γγ)、b̄bH(γγ)過程を含むバックグラウンドと信号を区別した。
• 受容率と効率を計算し、各衝突エネルギーにおける3 ab⁻¹の統合光度量に対応する予想イベント数を導出した。
• 統計的有意性はS/√Bを用いて評価され、中心系エネルギーが高くなるに従い信号の有意性が上昇した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のハドロン衝突機（√s = 14、33、100 TeV）において、HH → b̄bγγモードでHiggs自己結合定数を十分な精度で測定可能か？
• RQ2 この崩壊モードを用いた場合、これらの衝突エネルギーでHiggs自己結合定数を測定する予想される統計的精度はどの程度か？
• RQ3 信号およびバックグラウンドイベントレートは中心系エネルギーの上昇に伴いどのように変化するか？また、信号の有意性に与える影響は？
• RQ4 t̄tおよびZ(b̄b)H(γγ)などの主要なバックグラウンドを抑制するために、最も効果的な運動量およびトポロジー変数は何か？
• RQ5 検出器の分解能および再構成効率は、この測定の可能性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 3 ab⁻¹のデータ量で、√s = 14 TeVでは50%、33 TeVでは20%、100 TeVでは8%の統計的精度でHiggs自己結合定数を測定可能であり、エネルギーが高くなるに従い測定精度が著しく向上することが示された。
• HH → b̄bγγの断面積×分岐比は、14 TeVで0.089 fbから100 TeVで3.73 fbに増加し、エネルギーに伴う生成率の著しい上昇を示した。
• 全バックグラウンドyieldは14 TeVで53.4イベント、33 TeVで179.5イベント、100 TeVで731.3イベントであり、信号の有意性（S/√B）は2.3から15.0に上昇した。
• b̄bおよびγγ系のインバリアント質量分布は、全エネルギーで125 GeV/c²付近に明確なピークを示し、信号の識別可能性が確認された。
• 信号チャネルの受容率はエネルギーが上昇するに従い低下（14 TeVで6.2%、100 TeVで3.61%）したが、断面積の上昇がそれを上回った。
• 主要なバックグラウンドはt̄tH(γγ)、b̄bH(γγ)、Z(b̄b)H(γγ)であり、全エネルギーで全バックグラウンドに顕著な寄与を示した。