[论文解读] Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb-1 of Data

Tevatron New Phenomena, R. C. Group|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文结合了 CDF 和 DØ 在 √s = 1.96 TeV 的质子-反质子碰撞数据，利用高达 4.2 fb⁻¹ 的积分亮度，对标准模型 Higgs 玻色子的产生设定了上限。通过引入新的衰变道（如 WH→τνbb̄、VH→ττbb̄ 和 t̄tH→t̄tbb̄），并采用改进技术重新分析现有通道，该研究在 mH = 165 GeV/c² 处实现了 0.86 倍标准模型截面的 95% 置信水平上限，将被排除的质量范围扩展至 160–170 GeV/c²。

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 Higgs Tevatron combination, more data and new channels (WH to tau nu b bbar, VH to tau tau b bbar/jj tau tau,VH to jj b bbar, t tbar H to t tbar b bbar) have been added. Most previously used channels have been reanalyzed to gain sensitivity. We use the latest parton distribution functions and gg to H theoretical cross sections when comparing our limits to the SM predictions. With 2.0-3.6 fb-1 of data analyzed at CDF, and 0.9-4.2 fb-1 at D0, the 95% C.L. upper limits on Higgs boson production are a factor of 2.5 (0.86) times the SM cross section for a Higgs boson mass of m_H=115 (165) GeV/c^2. Based on simulation, the corresponding median expected upper limits are 2.4 (1.1). The mass range excluded at 95% C.L. for a SM Higgs has been extended to 160

研究动机与目标

• 通过结合 CDF 和 DØ 实验的结果，提高在费米实验室 Tevatron 上对标准模型 Higgs 玻色子直接搜寻的灵敏度。
• 通过引入新的衰变道和重新分析的数据，将 Higgs 玻色子的被排除质量范围扩展至超过以往的限制。
• 应用更新的理论输入，包括最新的部分子分布函数和 gg→H 截面，以实现与标准模型预测更精确的比较。
• 通过先进的多变量分析技术及在多个末态中提升背景抑制能力，增强灵敏度。
• 使用贝叶斯和 CLₛ 方法，为 100–200 GeV/c² 全质量范围内提供一种模型无关的 Higgs 玻色子产生上限。

提出的方法

• 结合了 CDF 和 DØ 的 75 个相互排斥的末态，包括 WH→ℓνbb̄、ZH→νν̄bb̄、VH→ττbb̄ 和 t̄tH→t̄tbb̄，覆盖 2.0–4.2 fb⁻¹ 的积分亮度。
• 采用先进的多变量判别技术：基于运动学变量、b 夸克标记和矩阵元判别器训练的神经网络与提升决策树。
• 使用两种统计方法——贝叶斯方法和 CLₛ 方法——设定上限，其中 CLₛ 方法用于排除图和显著性评估。
• 应用更新的理论输入：最新的部分子分布函数和来自量子色动力学计算的 gg→H 截面。
• 引入了一种新分析通道 WH→τνbb̄，其中 τ 轻子通过强子衰变识别，从而提高对 ZH→τν̄bb̄ 和 VH→ET̄bb̄ 模式的灵敏度。
• 采用基于轮廓似然比检验的全局联合分析，计算 Higgs 玻色子质量范围内观测到和预期的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 100–200 GeV/c² 的质量范围内，联合 CDF 和 DØ 分析对标准模型 Higgs 玻色子产生的灵敏度如何？
• RQ2 与以往分析相比，WH→τνbb̄ 和 VH→ττbb̄ 等新衰变道在整体搜寻灵敏度方面有何提升？
• RQ3 使用更新的数据和分析技术后，95% 置信水平下 Higgs 玻色子被排除的质量范围有多大？
• RQ4 观测到的上限与不同 Higgs 质量下的预期上限及标准模型预测相比如何？
• RQ5 更新的理论输入（PDF 和 gg→H 截面）对上限解释的影响有多大？

主要发现

• 在 mH = 115 GeV/c² 处，标准模型 Higgs 玻色子产生的 95% 置信水平上限为标准模型截面的 2.5 倍；在 mH = 165 GeV/c² 处，该值为 0.86 倍。
• 在整个质量范围内，中位数预期上限为 2.4（115 GeV/c²）和 1.1（165 GeV/c²），表明灵敏度相比以往组合有所提升。
• 基于观测数据，标准模型 Higgs 玻色子在 95% 置信水平下被排除的质量范围扩展至 160 < mH < 170 GeV/c²。
• CLₛ 方法显示，1-CLₛ 分布在 mH = 165 GeV/c² 处达到最小值 0.81，表明在高质质量区域具有强大的排除能力。
• 观测数据的对数似然比（LLR）在 mH = 165 GeV/c² 处达到最大值 6.60，显著超过预期的背景仅分布。
• 引入 WH→τνbb̄ 和 VH→ττbb̄ 等新通道显著提升了灵敏度，尤其在 150–170 GeV/c² 范围内，排除效果最为显著。