[论文解读] Interference effects for H --> WW --> lvqq and H --> ZZ --> llqq searches in gluon fusion at the LHC

N. Kauer, Claire O’Brien+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 55被引用 5

一句话总结

本论文研究了在大型强子对撞机（LHC）上通过胶子融合过程产生的Higgs玻色子衰变至WW和ZZ末态时的信号-背景干扰效应，重点关注半轻衰变模式。研究发现，树图级 $gg \to Vq\bar{q}$ 背景（受 $1/e^2$ 增强）在轻子和重子Higgs质量下均主导了与圈图诱导的 $gg \to VV$ 背景的干扰，表明高阶QCD效应可驱动主要的干扰贡献，且在最优截断条件下，标准模型Higgs（125 GeV）的干扰效应可降低至千分之一量级。

ABSTRACT

Signal-background interference effects are studied for H --> WW and H --> ZZ searches in gluon fusion at the LHC. More specifically, the interference in the channels with semileptonic weak boson pair decay is analysed for light and heavy Higgs masses with minimal and realistic experimental selection cuts. In the semileptonic decay modes, the interference is affected by tree-level background contributions enhanced by 1/e^2 relative to the gluon-fusion continuum background in the fully leptonic decay modes. We find that for both light and heavy Higgs masses the interference with the loop-induced weak-boson pair background dominates over the interference with the tree-level weak-boson plus jets background for a range of selection cuts. We therefore conclude that higher-order background contributions can induce leading interference effects. With appropriate background suppression cuts the interference can be reduced to the 10% level for heavy Higgs masses, and to the per mille level for the light SM Higgs.

研究动机与目标

• 本论文旨在量化在大型强子对撞机（LHC）上通过胶子融合过程产生的H→WW和H→ZZ半轻衰变中，Higgs信号与背景之间的干扰效应。
• 它解决了半轻末态中干扰效应缺乏系统处理的问题，尽管这些末态具有较高的事例率，但常被忽视而优先考虑完全轻子模式。
• 本研究特别评估了来自树图级 $gg \to Vq\bar{q}$ 和圈图诱导 $gg \to VV$ 背景的干扰贡献。
• 它旨在确定在现实实验截断条件下，这些干扰项对轻子和重子Higgs质量的相对重要性。
• 研究目标还包括评估干扰对积分截面和微分分布的影响，尤其是在非共振区域。

提出的方法

• 作者在Leading Order（LO）下计算了 $gg \to H \to VV \to \ell\ell q\bar{q}$ 和 $gg \to H \to VV \to \ell\bar{\nu} q\bar{q}$ 过程的 parton-level 幅值，包括完整的信号-背景干扰。
• 他们使用两个独立的公开工具实现：$\texttt{gg2VV}$ 和 $\texttt{MadGraph5~aMC@NLO}$，以确保数值一致性。
• 干扰在Higgs信号幅值与树图级 $gg \to Vq\bar{q}$ 及圈图诱导 $gg \to VV$ 背景之间进行评估，后者相对于前者具有 $1/e^2$ 的增强。
• 分析包括最小和现实的实验选择截断，如轻子和喷注的运动学要求，以模拟LHC条件。
• 计算了最终态矢量玻色子对的不变质量（$M_{VV}$）的微分分布，以研究远离Higgs共振峰区域的干扰效应。
• 研究将总干扰贡献与信号截面进行比较，评估其在不同Higgs质量及截断方案下的大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半轻H→WW和H→ZZ衰变中，树图级 $gg \to Vq\bar{q}$ 与圈图诱导 $gg \to VV$ 背景在与Higgs信号干扰方面如何比较？
• RQ2 对于轻子Higgs（125 GeV）和重子Higgs（400 GeV），这两种背景类型的干扰效应相对大小如何？
• RQ3 现实实验截断如何影响积分和微分截面中信号-背景干扰的大小？
• RQ4 背景抑制截断在多大程度上可减少WW和ZZ半轻末态中的干扰效应？
• RQ5 在非共振 $M_{VV}$ 区域中，干扰效应的行为如何，为何其对独立分析具有重要意义？

主要发现

• 对于轻子和重子Higgs质量，所有截断方案下，与树图级 $gg \to Vq\bar{q}$ 背景的干扰均主导于与圈图诱导 $gg \to VV$ 背景的干扰。
• 相对于圈图诱导背景，树图级背景的 $1/e^2$ 增强使其干扰成为信号区域中的主导贡献。
• 对于标准模型Higgs玻色子（125 GeV），适当的背景抑制截断可将总干扰效应在积分截面上降低至千分之一量级。
• 对于400 GeV的Higgs玻色子，通过有效的背景抑制截断，干扰效应可降低至10%或以下。
• 在非共振 $M_{VV}$ 区域中，干扰效应甚至超过信号本身，因此在独立或微分分析中必须包含干扰效应。
• 在独立选择中，正负干扰贡献之间通常不会发生部分抵消，这意味着在高精度研究中不能安全地忽略干扰效应。