[论文解读] Discovering an Invisibly Decaying Higgs at Hadron Colliders

Hooman Davoudiasl, Tao Han+1 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Dec 18, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）和 Tevatron 上通过三种产生通道——Z+h_inv、弱规范玻色子融合（WBF）和 h_inv+j——探测隐形衰变 Higgs 玻色子（h_inv）的发现潜力。结果表明，在 LHC 上，Z+h_inv 通道可在 10 fb⁻¹ 的积分亮度下实现对 120 GeV h_inv 的 5σ 发现；结合 Z+h_inv 与 WBF 通道，可在 10 fb⁻¹ 下实现模型无关的 Higgs 质量测定，不确定度为 35–50 GeV。

ABSTRACT

A Higgs boson lighter than 2 m_W that decays mostly into invisible channels (e.g., dark matter particles) is theoretically well-motivated. We study the prospects for discovery of such an invisible Higgs, h_inv, at the LHC and the Tevatron in three production modes: (1) in association with a Z, (2) through Weak Boson Fusion (WBF), and (3) accompanied by a jet. In the Z+h_inv channel, we show that the LHC can yield a discovery signal above 5 sigma with 10 fb-1 of integrated luminosity for a Higgs mass of 120 GeV. With 30 fb-1 the discovery reach extends up to a Higgs mass of 160 GeV. We also study the extraction of the h_inv mass from production cross sections at the LHC, and find that combining WBF and Z+h_inv allows a relatively model-independent determination of the h_inv mass with an uncertainty of 35-50 GeV (15-20 GeV) with 10 (100) fb-1. At the Tevatron, a 3 sigma observation of a 120 GeV h_inv in any single channel is not possible with less than 12 fb-1 per detector. However, we show that combining the signal from WBF with the previously-studied Z+h_inv channel allows a 3 sigma observation of h_inv with 7 fb-1 per detector. Because of overwhelming irreducible backgrounds, h_inv+j is not a useful search channel at either the Tevatron or the LHC, despite the larger production rate.

研究动机与目标

• 评估在暗物质和超对称模型理论动机下，LHC 和 Tevatron 上隐形衰变 Higgs 玻色子（h_inv）的发现潜力。
• 在真实的探测器和背景条件下，评估三种产生模式——Z+h_inv、弱规范玻色子融合（WBF）和 h_inv+j——的表现。
• 确定 Z+h_inv 与 WBF 通道是否可通过产生截面实现模型无关的 Higgs 质量提取。
• 评估尽管存在巨大不可约背景，h_inv+j 通道作为发现通道的可行性。
• 量化在不同实验和通道中实现 3σ 和 5σ 发现所需的亮度要求。

提出的方法

• 使用蒙特卡洛模拟和针对检测 Z+h_inv 事例（带有缺失横向动量 pT/）的运动学截断，要求高 E_T 末态喷流和孤立轻子。
• 施加严格截断以抑制主要背景：WW、Z+jets 和 Z→νν+jets，尤其在 h_inv+j 通道中。
• 将 Z+h_inv 信号建模为标准模型产生率与 100% 隐形分支比，通过公式 (13) 和 (14) 对非标准模型情形进行缩放。
• 在 LHC 上结合 Z+h_inv 与 WBF 截面，通过速率比值消除对产生截面和 BR_inv 的依赖，独立提取 h_inv 质量。
• 评估 Z+h_inv 事例中 pT/ 的分布作为对质量敏感的可观测量，h_inv 质量越高，平均 pT/ 越大。
• 对两个 Tevatron 探测器进行联合分析，通过结合 Z+h_inv 与 WBF 通道提升显著性，实现 7 fb⁻¹ 下的 3σ 观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC 上，Z+h_inv 通道能否在 10 fb⁻¹ 积分亮度下实现对 120 GeV 隐形 Higgs 的 5σ 发现？
• RQ2 在 30 fb⁻¹ 下，LHC 在 Z+h_inv 通道中对 Higgs 质量的发现可达上限是多少？
• RQ3 在 LHC 上，结合 Z+h_inv 与 WBF 产生通道是否可实现模型无关的隐形 Higgs 质量测定？
• RQ4 尽管存在巨大不可约背景，h_inv+j 通道在 LHC 或 Tevatron 上是否仍具备发现可行性？
• RQ5 Tevatron 能否通过在每个探测器中使用 7 fb⁻¹ 的亮度，结合 Z+h_inv 与 WBF 信号，实现对 120 GeV h_inv 的 3σ 观测？

主要发现

• LHC 仅需 10 fb⁻¹ 的积分亮度，即可在 Z+h_inv 通道中实现对 120 GeV 隐形 Higgs 的 5σ 发现。
• 在 30 fb⁻¹ 下，LHC 在 Z+h_inv 通道中的发现可达质量上限扩展至 160 GeV。
• 在 LHC 上结合 Z+h_inv 与 WBF 产生通道，可使用 10 fb⁻¹ 数据实现模型无关的 h_inv 质量测定，不确定度为 35–50 GeV。
• 当积分亮度增至 100 fb⁻¹ 时，h_inv 质量提取的不确定度可改善至 15–20 GeV。
• 在 Tevatron 上，尽管单个通道未达要求，但通过结合 Z+h_inv 与 WBF 通道，并使用每个探测器 7 fb⁻¹ 的亮度，可实现对 120 GeV h_inv 的 3σ 观测。
• 由于 Z→νν+j 背景过于强大，尽管截面较大，h_inv+j 通道在 LHC 或 Tevatron 上均不具备发现可行性。