[论文解读] Measuring properties of a dark photon from semi-invisible decay of the Higgs boson

Hugues Beauchesne, Cheng-Wei Chiang|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上通过半隐形希格斯玻色子衰变（h → γA′）测量暗光子性质的可行性，重点关注胶子融合和Z玻色子关联产生过程。利用MadGraph、PYTHIA和Delphes的蒙特卡洛模拟，结果表明LHC可将无质量暗光子的质量限制在几GeV以内，并以亚GeV级精度测量有质量暗光子的质量。此外，研究还表明在约95%置信水平下，暗光子信号可与引力子/中性ino的替代模型相区分，且即使观测到γA′衰变的过量，h → ZA′衰变通道仍可能未被探测到。

ABSTRACT

Considerable efforts have been dedicated to discovering a dark photon via the decay of the Higgs boson to a photon and an invisible particle. A subject that is still mostly unexplored is which properties of the dark photon could be measured at the LHC if an excess were to be found in this channel and whether we could determine if this signal is indeed that of a dark photon. In this paper, we seek to address some of these questions for two Higgs production channels: gluon-fusion and $Z$-associated. First, prospects are presented for the upper limit on the mass of a massless dark photon and for the uncertainty on the mass of a massive dark photon. Second, we study the feasibility of distinguishing this signal from that of the Higgs decaying to a gravitino and a neutralino that decays to a photon and another gravitino. Finally, the complementary possibility of observing the decay of the Higgs to a dark photon and a $Z$ boson is studied.

研究动机与目标

• 确定LHC在半隐形希格斯玻色子衰变（h → γA′）中测量暗光子质量的精度。
• 评估h → γA′信号是否可与Higgs玻色子衰变为引力子、中性ino衰变为光子和另一引力子的替代假设相区分。
• 评估γA′过量与h → ZA′衰变通道未被观测到的相容性。
• 在真实LHC条件下，比较胶子融合与Z玻色子关联产生两种Higgs产生模式的性能差异。

提出的方法

• 使用MadGraph 2.7.2生成事件，结合FeynRules模型描述暗光子和引力子/中性ino场景。
• 部分子辐射和强子化通过PYTHIA 8完成，探测器响应模拟采用Delphes 3（CMS设置）。
• 光子识别效率设定为95%，隔离要求模拟LHC希格斯玻色子搜索中的实际条件。
• QCD喷注和电子误判为光子的背景通过真实误判率建模（电子误判率为2%）。
• 信号与背景截面在NLO下通过MadGraph的NLO功能计算。
• 通过重建不变质量分布的统计分析进行质量测定与假设检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 若在h → γA′中观测到过量，LHC可对无质量暗光子质量设定的上限是多少？
• RQ2 在h → γA′通道中，对有质量暗光子的质量可实现多高的测量精度？
• RQ3 若信号源于暗光子，能否在约95%置信水平下将Higgs衰变为引力子与中性ino（后者衰变为光子和另一引力子）的替代假设排除？
• RQ4 γA′过量的观测是否与h → ZA′衰变通道未被观测到相容？
• RQ5 胶子融合与Z玻色子关联Higgs产生模式的结果有何差异？

主要发现

• 在最佳情况下，若在h → γA′中观测到过量，LHC可对无质量暗光子质量施加几GeV以内的上限，具体取决于信号显著性。
• 对于有质量暗光子，其质量可实现亚GeV级精度测量，且胶子融合通道性能更优。
• 若信号源于暗光子，Higgs衰变为引力子与中性ino（后者衰变为光子和另一引力子）的替代假设可在约95%置信水平下被排除。
• 与Z玻色子关联产生相比，胶子融合通道在质量测量与假设检验方面具有更高的灵敏度。
• 若暗光子质量较轻，h → ZA′衰变可能未被探测到，而不会与h → γA′过量的观测结果矛盾。
• 本研究证实，h → γA′通道是LHC探测暗光子性质的一种可行且互补的手段。