[论文解读] HIGGS BOSON PRODUCTION IN $e^+ e^- o \mu^+ \mu^- b \bar b$

G. Montagna, O. Nicrosini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 1995

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于未来对撞机上 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ 过程中希格斯玻色子产生的蒙特卡洛事件生成器，计算了所有树图阶标准模型费曼图，并在领先对数近似下包含了初态 QED 辐射。主要贡献在于精确模拟表明，对于轻希格斯玻色子质量（$M_H \leq 100$ GeV），在较低质心系能量下，希格斯信号最易区分，其在 $b\bar{b}$ 不变量质量与角分布中具有清晰的运动学特征。

ABSTRACT

The production of the Standard Model Higgs boson in the four-fermion reaction $e^+ e^- o \mu^+ \mu^- b \bar b$ is studied. The complete tree-level matrix element, including signal and backgrounds in the standard electroweak theory, is computed and initial state radiation is taken into account in the leading-log approximation. A Monte Carlo event generator has been built and numerical results for some distributions of experimental interest for the search of the Higgs particle at future electron-positron colliders are shown, compared with those existing in the literature and commented.

研究动机与目标

• 为电子-positron 对撞机上四费米子末态 $\mu^+\mu^-b\bar{b}$ 中的希格斯玻色子产生开发专用的蒙特卡洛事件生成器。
• 在完全一致的计算中包含所有树图阶标准模型费曼图，包括信号与背景贡献。
• 在领先对数近似下引入初态 QED 辐射，以实现对辐射修正的现实模拟。
• 提供详细的运动学分布以供实验分析，尤其用于在背景存在下识别希格斯玻色子。

提出的方法

• 事件生成器计算了全部 25 个树图阶费曼图：信号（HZ）、t-通道（ZZ、Zγ、γγ）以及 s-通道辐射过程。
• 通过七个独立的无量纲变量求解运动学，并在实验室参考系中重建相空间。
• 通过 QED 结构函数引入初态辐射，在领先对数近似下因子化软项与喷胶项修正。
• 硬散射截面通过涉及部分子分布函数类函数与硬核截面的九重卷积计算得出。
• 采用变量变换的重要性采样方法，以处理红外敏感区域、传播子奇点（尤其是希格斯玻色子）以及雅可比行列式峰值。
• 模拟使用 RANLUX 随机数生成器，并利用 SCHOONSCHIP 在螺旋度形式体系中进行振幅计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LEP2 与 NLC 能量下，初态辐射如何影响 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ 的总截面与信号-背景比？
• RQ2 哪些运动学分布（如不变质量、角分布）最能将希格斯信号与 ZZ、Zγ 和 γγ 背景区分开来？
• RQ3 干涉项与 s-通道辐射过程对总截面的贡献程度如何？
• RQ4 希格斯玻色子质量如何影响 $b\bar{b}$ 不变量质量分布中信号峰的形状与可观测性？
• RQ5 在该末态中，检测轻希格斯玻色子（$M_H \leq 100$ GeV）的最佳质心系能量范围是什么？

主要发现

• 由于初态辐射，$e^+e^- \to \mu^+\mu^-b\bar{b}$ 的总截面在峰值处降低了约 10%，并在 300 GeV 以上出现中等强度的辐射尾部。
• 对于 $M_H \leq 100$ GeV，信号-失败比 $\sigma_s/\sigma_f$ 在较低质心系能量下最为有利，从而提升了希格斯信号的可观测性。
• $b\bar{b}$ 不变量质量分布显示出两个明显的峰，分别位于 $M_H$ 和 $M_Z$，其中希格斯峰由于其窄宽度而近似为狄拉克函数。
• 对于轻希格斯玻色子质量，b-夸克的角分布呈各向同性，反映了其自旋为零的性质；随着 $M_H$ 增大，角分布逐渐变为各向异性。
• $b\bar{b}$ 相对角度分布表现出双峰结构：一个主峰位于中间 $\cos\vartheta_{b\bar{b}}$ 处，来自希格斯信号；另一个较小的峰位于 $\cos\vartheta_{b\bar{b}} \approx 1$，来自 $\gamma \to b\bar{b}$ 在 $\gamma\gamma$ 与 $\gamma Z$ 图中的贡献。
• 光子能量分布显示出低能峰，主要由软多光子发射引起，其主要来源为初态辐射。