[论文解读] Dilepton Signatures of the Higgs Boson with Tau-jet Tagging

Pankaj Agrawal, Somnath Bandyopadhyay+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上顶夸克对伴随希格斯玻色子产生过程（pp→t\bar{t}H）中的二轻子衰变末态，重点关注包含两个电子/μ子及喷注标记的末态。通过采用τ喷注和底夸克喷注标记，结合同号轻子选择，研究表明，包含两个τ喷注或一个τ喷注加同号轻子的信号具有足够的信噪比，可在LHC运行II阶段被观测到，从而在胶子-胶子融合通道之外提升对希格斯玻色子耦合的测量精度。

ABSTRACT

We consider the process $p p o t {\bar t} H$. This process can give rise to many signatures of the Higgs boson. The signatures can have electrons, muons and jets. We consider the signatures that have two electrons/muons and jets. Tagging of a tau jet and a bottom jet can help reduce the backgrounds significantly. In particular, we examine the usefulness of the signatures "isolated 2 electrons/muons + a bottom jet + a tau jet", "isolated 2 electrons/muons + 2 tau jets", "isolated 2 electrons/muons + 2 bottom jets + a tau jet", and "isolated 2 electrons/muons + a bottom jet + 2 tau jets". We find that signatures with two tau jets are useful. The signatures with one tau jet are also useful, if we restrict to same-sign electrons/muons. These requirements reduce the backgrounds due the process with Z-bosons + jets and the production of a pair of top quarks. We show that these signatures may be visible in the run II of the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 识别在主导胶子-胶子融合通道之外的t\bar{t}H产生中可行的希格斯玻色子信号。
• 通过喷注标记与轻子电荷选择，减少主要的QCD与顶夸克对背景。
• 评估在LHC运行II阶段，包含两个电子/μ子及喷注标记的二轻子末态的可观测性。
• 确定通过t\bar{t}H产生测量希格斯耦合的最佳信号。
• 评估τ喷注标记与同号轻子选择对信号显著性的影响。

提出的方法

• 分析pp→t\bar{t}H过程，其中希格斯玻色子衰变为ττ或WW*模式，产生包含两个带电轻子与喷注的末态。
• 应用实验喷注标记：τ喷注（效率25–50%，误识率为0.1–1%）与底夸克喷注（效率50–60%，误识率为1%）。
• 施加运动学截断与轻子隔离条件，以抑制QCD与Drell-Yan背景。
• 限制为同号电子/μ子，以显著抑制t\bar{t}与Z+jets背景，尤其在单τ喷注信号中。
• 使用NLO截面，结合部分子分布函数与尺度不确定性，估算信噪比S/√B。
• 在300 fb⁻¹亮度下，对多种具有不同喷注标记配置的信号进行事件计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前与预期的实验技术下，t\bar{t}H产生中的二轻子信号是否可在LHC上实现可观测？
• RQ2 τ喷注标记在减少t\bar{t}H事件中二轻子末态的背景方面效果如何？
• RQ3 在单τ喷注信号中，同号轻子选择是否能显著抑制顶夸克对与Z+jets背景？
• RQ4 何种喷注标记与轻子电荷配置组合可实现最高的信号显著性，以用于希格斯玻色子探测？
• RQ5 在真实亮度与探测器性能条件下，t\bar{t}H过程是否可通过二轻子末态在LHC运行II阶段被观测到？

主要发现

• 包含两个τ喷注的信号，如'2个电子/μ子 + 2个τ喷注'，在300 fb⁻¹亮度下，对于120–130 GeV的希格斯玻色子质量，信噪比约为4.6–5.8。
• 信号'2个电子/μ子 + 1个τ喷注 + 1个底夸克喷注'的信噪比为3.4–3.8，若无额外抑制措施则不足以被观测。
• 同号轻子选择显著降低了t\bar{t}背景，使'2个电子/μ子 + 1个τ喷注 + 1个底夸克喷注'的信噪比提升至6.3–8.3，'2个电子/μ子 + 2个τ喷注 + 1个底夸克喷注'的信噪比提升至5.0–5.4。
• 信号'2个电子/μ子 + 2个τ喷注'的信噪比为4.6–5.2，使其成为运行II阶段可观测的可行通道。
• 信号'2个电子/μ子 + 1个τ喷注 + 2个底夸克喷注'的信噪比较低（2.1–2.4），即使采用同号选择，仍因t\bar{t}背景过高而难以观测。
• 截面中的理论不确定性（10–15%）在信噪比比值中大部分相互抵消，使结果对理论与实验变化具有鲁棒性。