[论文解读] 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 12

一句话总结

本文识别并量化了在希格斯玻色子搜寻中此前被忽视的背景：在 $W\gamma^*$ 产生过程中，虚光子发生非对称内部转换，其中 $\gamma^* \to \ell\ell$ 的次级轻子未被重建，从而伪造出一个即时轻子。研究发现，该背景在 7 TeV 下的 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 通道中的产额与希格斯信号相当，对多元分析构成挑战，因此需要采用数据驱动的方法进行表征。

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.

研究动机与目标

• 识别并量化在 $W\gamma^*$ 产生过程中，由于虚光子内部转换而被此前忽略的希格斯玻色子搜寻背景。
• 评估非对称内部转换对 Tevatron 和 LHC 上 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 搜寻通道的影响。
• 评估该背景在运动学分布和多元分析技术中模拟希格斯信号的潜力。
• 提出利用同号 dilepton 样本进行数据驱动方法，以表征和约束背景。
• 指出蒙特卡洛模拟在建模低横动量轻子的探测器接受度方面存在局限，尤其是来自非对称转换的轻子。

提出的方法

• 分析 $q\bar{q} \to W\gamma^* \to \ell\nu\ell'\ell'$ 过程中，虚光子在真空中转换为轻子-反轻子对的内部转换。
• 使用部分子级矩阵元计算和基于 PGS 的接受度模拟，估算截面和类似信号的产额。
• 应用标准希格斯和 $WW$ 分析中的运动学选择标准，比较背景与信号的产额。
• 提出利用同号 dilepton (SS) 数据样本约束反号 (OS) LAME FAIC 背景，利用电荷对称性。
• 建议通过 SS 数据验证 OS LAME FAIC 的蒙特卡洛模拟，以提高多元分析中的准确性。
• 考虑了虚光子的初态和末态辐射，包括 $W$ 玻色子顶点辐射的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $h \to WW^* \to \ell\ell'\,\nu\bar{\nu}$ 通道中，$W\gamma^*$ 内部转换背景（伴随非对称轻子对产生）的显著程度如何？
• RQ2 非对称内部转换事件的运动学特性在多大程度上与希格斯信号相似？
• RQ3 能否通过使用同号 dilepton 样本的数据驱动技术有效约束反号内部转换背景？
• RQ4 为何当前的蒙特卡洛模拟在准确建模该背景下的探测器接受度方面不足？
• RQ5 电子、μ子和 τ 末态在内部转换背景中的相对贡献是多少？

主要发现

• 在选择之后，LAME FAIC 背景产额与 130 GeV 希格斯信号相当，分别为：$e^+e^-$ 通道 7.7 fb，$e^\pm\mu^\mp$ 通道 57 fb，$\mu^+\mu^-$ 通道 3.4 fb。
• 经过标准希格斯选择性切割后，LAME FAIC 背景仍保持在希格斯信号产额的约 20%，表明其影响不可忽视。
• 由于电荷共轭对称性，该背景产生相等数量的同号与反号 dilepton 对，因此可利用 SS 样本实现数据驱动约束。
• 由于难以模拟低 $p_T$ 丢失轻子对幸存轻子的追踪与隔离的影响，当前蒙特卡洛模拟未能充分建模该背景。
• 内部转换背景不仅限于电子；它对 μ 子和 τ 轻子也有显著贡献，而外部转换则主要由电子主导。
• 本研究发现当前希格斯搜寻分析中存在潜在缺口，因为该背景在近期的 Tevatron 或 LHC 结果中尚未被考虑。