[论文解读] LHC prospects in searches for neutral scalars in pp o\gamma\gamma+jet: SM Higgs boson, radion, sgoldstino

S. V. Demidov, Dmitry Gorbunov|arXiv (Cornell University)|May 21, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文评估了大型强子对撞机（LHC）通过 $\gamma\gamma+\text{jet}$末态探测中性标量（如标准模型（SM）希格斯玻色子、径子和sgoldstino）的潜力。利用NLO QCD计算和优化的运动学截断，研究显示信号背景比显著提升，使该通道在新物理搜索中与包含 $\gamma\gamma$ 通道具有竞争力。

ABSTRACT

At hadron colliders the $\gamma\gamma+jet$ channel provides larger signal-to-background ratio in comparison with inclusive $\gamma\gamma$ channel in hunting for scalars uncharged under the SM gauge group. At NLO in QCD perturbation theory we evaluate selfconsistently the signal significance for the SM Higgs boson production in $\gamma\gamma+jet$ channel at LHC. Three-body final state kinematics allows for refined cuts. The adjustment of these cuts increases the signal significance upto the level of inclusive channel. Applying a justified simple rescaling procedure to the results obtained for SM Higgs boson, we estimate the LHC prospects in searches for radion and sgoldstino in $\gamma\gamma+jet$ channel. We have found that this channel is comparable with $\gamma\gamma$ channel in searches for new physics and deserves further detailed investigations.

研究动机与目标

• 评估在中性标量搜索中，$\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道相较于包含 $\gamma\gamma$ 通道的信号背景比改善情况。
• 评估在QCD微扰理论的NLO下，SM希格斯玻色子在 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道中的信号显著性。
• 对SM希格斯玻色子结果应用重标度程序，以估算对径子和sgoldstino等新物理粒子的灵敏度。
• 确定 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道是否可作为LHC新物理发现的可行且具有竞争力的替代通道，相较于标准的 $\gamma\gamma$ 通道。

提出的方法

• 对SM希格斯玻色子在 $\gamma\gamma+\text{jet}$末态中的产生过程执行下一阶（NLO）QCD计算。
• 利用三体末态运动学设计更精细的实验截断，以提升信号显著性。
• 优化截断以最大化信号背景比，实现与包含 $\gamma\gamma$ 通道相当的性能。
• 基于SM希格斯玻色子结果，采用合理且简化的重标度程序，外推至如径子和sgoldstino等假设粒子的灵敏度。
• 将 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道的信号显著性与标准 $\gamma\gamma$ 通道在新物理情景下的表现进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中性标量搜索中，$\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道是否能实现与包含 $\gamma\gamma$ 通道相当的信号背景比？
• RQ2 NLO QCD修正如何影响 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 末态中SM希格斯玻色子的信号显著性？
• RQ3 在三体末态中，优化的运动学截断在多大程度上能提升 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道的信号显著性？
• RQ4 SM希格斯玻色子在 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道中的信号显著性如何外推至其他中性标量（如径子和sgoldstino）？
• RQ5 相较于标准 $\gamma\gamma$ 通道，$\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道在LHC新物理搜索中是否具有可行性且具备竞争力？

主要发现

• $\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道由于采用了更精细的运动学截断，其信号背景比相较于包含 $\gamma\gamma$ 通道有显著提升。
• 在优化截断下，$\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道的信号显著性达到与包含 $\gamma\gamma$ 通道相当的水平。
• NLO QCD计算证实了对 $\gamma\gamma+\text{jet}$ 末态中SM希格斯玻色子信号显著性的自洽评估。
• 对SM希格斯玻色子结果应用的重标度程序，为径子和sgoldstino等新物理粒子的灵敏度提供了可靠估计。
• 本研究结论认为，$\gamma\gamma+\text{jet}$ 通道在新物理搜索中的灵敏度与 $\gamma\gamma$ 通道相当，值得进一步开展详细研究。