[论文解读] Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with 2.1 - 5.4 fb-1 of Data

The CDF Collaboration, the D Collaboration+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文结合了费米实验室 Tevatron 在 √s = 1.96 TeV 能量下质子-反质子碰撞的 CDF 和 D0 实验数据，利用 2.1–5.4 fb⁻¹ 的积分亮度，对标准模型 Higgs 玻色子的产生设定了上限。在 95% 置信水平下，排除了质量范围为 163–166 GeV/c² 的 Higgs 玻色子，预期排除范围为 159–168 GeV/c²，这是首次基于联合数据和改进分析技术实现的 Tevatron 级特定 SM Higgs 质量的排除。

ABSTRACT

We combine results from CDF and D0 on direct searches for a standard model (SM) Higgs boson (H) in ppbar collisions at the Fermilab Tevatron at sqrt(s)=1.96 TeV. Compared to the previous Tevatron Higgs search combination more data have been added and some previously used channels have been reanalyzed to gain sensitivity. We use the latest parton distribution functions and gg->H theoretical cross sections when comparing our limits to the SM predictions. With 2.0-4.8 fb-1 of data analyzed at CDF, and 2.1-5.4 fb-1 at D0, the 95% C.L. upper limits on Higgs boson production are a factor of 2.70 (0.94) times the SM cross section for a Higgs boson mass of m_H=115 (165) GeV/c^2. The corresponding median upper limits expected in the absence of Higgs boson production are 1.78 (0.89). The mass range excluded at 95% C.L. for a SM Higgs is 163

研究动机与目标

• 通过结合费米实验室 Tevatron 上 CDF 和 D0 实验的结果，提高对标准模型 Higgs 玻色子搜索的灵敏度。
• 利用 2.1–5.4 fb⁻¹ 的数据，设定更新的 Higgs 玻色子产生截面上限，包括新分析的衰变道和改进的分析技术。
• 基于观测和预期的极限，确定在 95% 置信水平下被排除的标准模型 Higgs 玻色子的质量范围。
• 使用最新的部分子分布函数和 Higgs 产生截面，将观测到的极限与理论预测进行比较，尤其关注胶子融合过程。
• 使用 CLₛ 方法结合线性插值，在整个 Higgs 质量谱上确定一个稳健的联合排除区域。

提出的方法

• 该分析结合了 CDF 和 D0 的 90 个相互排斥的末态，包括 Higgs 粒子衰变为 bb̄、W⁺W⁻、τ⁺τ⁻ 和 γγ 的通道。
• 为关联产生过程（W/Z 伴随，VH）、胶子融合（gg → H）和矢量玻色子融合（VBF）定义了信号区域，事件选择经过优化以提高灵敏度。
• 采用先进的多变量技术，如贝叶斯神经网络（CDF）和提升决策树（D0）作为最终判别器，以分离信号与背景。
• 背景通过数据驱动方法和蒙特卡罗模拟进行建模，对多喷射和误识别轻子贡献进行了仔细处理。
• 应用 CLₛ 方法设定信号强度的上限，观测和预期的极限在 5 GeV/c² 的质量网格上进行线性插值。
• 联合分析采用了更新的理论输入，包括最新的部分子分布函数和 gg → H 截面，以将极限与标准模型预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 100–200 GeV/c² 的质量范围内，标准模型 Higgs 玻色子产生截面的 95% 置信水平上限是多少？
• RQ2 联合 CDF 和 D0 分析在 95% 置信水平下排除了哪些 Higgs 玻色子质量范围？
• RQ3 与以往的 Tevatron Higgs 联合分析相比，该联合搜索的灵敏度如何？哪些改进促成了这一提升？
• RQ4 在无信号的假设下，基于仅含背景的模拟，Higgs 玻色子的预期排除范围是什么？
• RQ5 观测到的和预期的极限如何随 Higgs 玻色子质量变化，特别是在以 W⁺W⁻ 衰变主导的高质质量区域？

主要发现

• 在 mH = 115 GeV/c² 处，Higgs 玻色子产生的 95% 置信水平上限为标准模型截面的 2.70 倍；在 mH = 165 GeV/c² 处，上限为 0.94 倍。
• 在无 Higgs 玻色子产生的假设下，中位数预期上限为 1.78（115 GeV/c²）和 0.89（165 GeV/c²），表明灵敏度有所提高。
• 观测到的 95% 置信水平排除区域为 163 < mH < 166 GeV/c²，预期排除区域为 159 < mH < 168 GeV/c²。
• 排除区域通过 1-CLₛ 曲线的线性插值得到，由于完整截面依赖关系呈上凸形态，贝叶斯计算方法优于其他替代方法。
• 尽管在高质质量 W⁺W⁻ 通道中存在轻微过量，但总过量小于一个标准差，导致观测到的排除区域略小于 2009 年联合分析的结果。
• 联合灵敏度足以排除高质质量区的 Higgs 玻色子，且随着更多未分析的亮度数据和更精细的分析技术，预期灵敏度将进一步提升。