[论文解读] Intermediate-Mass Higgs Searches in Weak Boson Fusion

David L. Rainwater|ArXiv.org|Aug 17, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 19

一句话总结

本文提出弱规范玻色子融合（WBF）作为大型强子对撞机（LHC）上中等质量希格斯玻色子的有力搜索通道，证明了$H\to\gamma\gamma$、$H\to W^{(*)}W^{(*)}$和$H\to\tau^+\tau^-$衰变可在适度亮度（$H\to\gamma\gamma$为40–50 fb$^{-1}$，$H\to W^{(*)}W^{(*))}$为2–10 fb$^{-1}$）下实现$S/B > 1$和$5\sigma$发现。该研究确立了WBF作为通过$H\to\tau\tau$直接测量希格斯-费米子耦合的关键工具，所需亮度约为60 fb$^{-1}$，覆盖了LEP2探测范围之外的MSSM参数空间。

ABSTRACT

Weak boson fusion is a copious source of intermediate mass Higgs bosons at the LHC. The additional very energetic forward jets in these events are powerful background suppression tools. I analyze the decays H -> gamma gamma and H -> W^(*)W^(*) -> e mu pTmiss, with the latter a potential discovery channel, and the decay H -> tau tau -> lep had pTmiss as a method for achieving the first direct measurement of a Higgs-fermion coupling. I perform parton level analyses of the signal and dominant backgrounds for each decay mode, and demonstrate kinematic cuts and other important tools neccessary to achieve an S/B > 1/1 rate in all cases. I also perform cross section calculations with additional gluon emission which provide an estimate of a minijet veto probability. I show that a 5 sigma H -> gamma gamma observation can be made for 110 GeV < M_H < 150 GeV with modest luminosity, order 40-50 fb^-1, overlapping the region explored by the CERN LEP and Fermilab Tevatron. For 130 GeV < M_H < 200 GeV, I show that H -> WW can achieve a 5 sigma observation with S/B much greater than 1/1 with extremely low luminosity, about 2-10 fb^-1 over almost the entire range. This is the most promising search channel in the 130-200 GeV mass range. It overlaps the H -> gamma gamma region and nicely complements the H -> WW measurement that can be made with very low luminosity in inclusive gg -> H production. I further show that a Higgs-fermion coupling can be directly measured via the H -> tau tau decay with only about 60 fb^-1.

研究动机与目标

• 开发并评估在大型强子对撞机（LHC）的弱规范玻色子融合（WBF）过程中对中等质量希格斯玻色子进行高灵敏度搜索的策略。
• 解决在希格斯信号探测中抑制主导的QCD和电弱背景的挑战。
• 通过$H\to\tau^+\tau^-$衰变实现在WBF中对希格斯-费米子耦合的首次直接测量。
• 确定在多个衰变模式中实现$5\sigma$发现所需的亮度和运动学切割条件。
• 将希格斯玻色子搜索的覆盖范围扩展至LEP2和Tevatron的极限之外，特别是在MSSM参数空间中。

提出的方法

• 通过部分子层次的蒙特卡罗模拟，对WBF过程中$H\to\gamma\gamma$、$H\to W^{(*)}W^{(*))}$和$H\to\tau^+\tau^-$衰变的信号与背景截面进行建模。
• 应用运动学切割和基于喷注的工具——尤其是极小喷注抑制（minijet veto）——以抑制QCD和电弱背景。
• 使用MadGraph在部分子层次生成信号与背景过程的矩阵元。
• 计算包含额外胶子辐射的截面，以估算极小喷注抑制的概率。
• 应用基于泊松分布的显著性计算，确定各衰变通道的$5\sigma$发现能力。
• 通过0.8的效率因子考虑亮度超过30 fb$^{-1}$时的堆叠效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低亮度条件下，$H\to\gamma\gamma$衰变是否可在$110 < M_H < 150$ GeV范围内实现$5\sigma$发现？
• RQ2 在极低亮度（2–10 fb$^{-1}$）下，$H\to W^{(*)}W^{(*)}$衰变是否可在130–200 GeV质量范围内实现$S/B \gg 1$的$5\sigma$发现？
• RQ3 在WBF中，$H\to\tau^+\tau^-$衰变是否可在约60 fb$^{-1}$亮度下实现对希格斯-费米子耦合的直接测量？
• RQ4 WBF通道如何与包括$gg\to H$的产生过程互补，以覆盖MSSM希格斯参数空间？
• RQ5 在MSSM参数空间中，$h/H\to\tau\tau$在WBF中的$5\sigma$发现范围如何，特别是在过渡区域？

主要发现

• 在低机器亮度下，仅需40–50 fb$^{-1}$的积分亮度，即可在$110 < M_H < 150$ GeV范围内实现$H\to\gamma\gamma$的$5\sigma$观测。
• 在$130 < M_H < 200$ GeV范围内，WBF中的$H\to W^{(*)}W^{(*)}$衰变仅需2–10 fb$^{-1}$即可实现$S/B \gg 1$的$5\sigma$发现，使其成为该质量范围最具前景的通道。
• 在WBF中，$H\to\tau^+\tau^-$衰变可在约60 fb$^{-1}$的亮度下实现对希格斯-费米子耦合的直接测量。
• $h/H\to\tau\tau$在WBF中的$5\sigma$发现轮廓覆盖了MSSM参数空间的广阔区域，包括$h$和$H$均为轻量级且混合效应显著的过渡区域。
• WBF中对$H\to\tau\tau$的搜索具有鲁棒性，且与$H\to\gamma\gamma$互补，覆盖了$\tau\tau$衰变占主导而$\gamma\gamma$被抑制的区域。
• 结合WBF中$H\to\gamma\gamma$与$H\to\tau\tau$的搜索策略，可构成一种无风险的方案，全面覆盖LEP2搜索失败后剩余的MSSM希格斯玻色子参数空间。