[论文解读] Measuring the Higgsplosion Yield: Counting Large Higgs Multiplicities at Colliders

James S. Gainer|arXiv (Cornell University)|May 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 8

一句话总结

本文研究了Higgsplosion——一种假设性场景，即在高能对撞机中由于截面指数增长，产生大量希格斯玻色子。通过在100 TeV和14 TeV对撞机上进行蒙特卡洛模拟，发现喷射流横向动量的标量和是测量希格斯玻色子多重性的最有效可观测量，仅需少数事件即可实现10%的测量精度，但由于统计不确定性，确定确切多重性仍需约1,000个事例。

ABSTRACT

Recent work has brought renewed attention to the possibility that the cross section for producing $n$ Higgs bosons grows large with $n$ at a sufficiently energetic hadron collider. In particular, this "Higgsplosion'" mechanism has been suggested as a solution to the hierarchy problem. We investigate the phenomenology of this scenario. Discovery is trivial, so we consider several variables for use in measuring large Higgs multiplicities and evaluate their effectiveness. We find that a $10$% level measurement of the number of Higgs bosons is possible with a handful of events, using the scalar sum of jet transverse momenta, but determining the exact multiplicity may take a few thousand events, depending on the degree of statistical significance desired for the measurement. While this situation may be acceptable given the potentially large cross sections in this scenario, future research to improve the measurement is warranted.

研究动机与目标

• 评估在未来对撞机上测量Higgsplosion事例中大量希格斯玻色子多重性的可行性。
• 评估动量变量在区分不同希格斯玻色子多重性方面的表现。
• 确定实现希格斯玻色子多重性统计显著测量所需的事例数量。
• 探索多变量分析和喷射流子结构等先进分析技术在提升测量效率方面的潜力。

提出的方法

• 使用LHE文件和NNPDF23_lo_as_0130_qed PDFs，在静止状态下模拟包含100、150和200个希格斯玻色子的 parton 级事例。
• 通过Pythia8和DELPHES 3处理事例，使用反-kT算法和ΔR < 0.4进行喷射流重建。
• 评估动量变量的性能：喷射流pT的标量和、缺失横向动量、轻子隔离度以及√ŝmin。
• 通过分析不同希格斯玻色子多重性下这些变量的分布，评估统计精度。
• 将分布近似为高斯分布，以估算多重性测量中1σ不确定度。
• 探讨通过多变量分析和喷射流子结构技术可能带来的改进，指出变量间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷射流横向动量的标量和是否能有效区分Higgsplosion事例中不同希格斯玻色子多重性？
• RQ2 需要多少事例才能实现希格斯玻色子多重性10%精度的测量？
• RQ3 在1σ显著性水平下，分辨连续多重性（如n=150与n=151）所需的事件数是多少？
• RQ4 与喷射流pT的标量和相比，标准动量变量如缺失横向动量和√ŝmin在多重性区分中的表现如何？
• RQ5 多变量分析或基于子结构的分析能否减少准确测量希格斯玻色子多重性所需的事例数？

主要发现

• 喷射流横向动量的标量和是测量希格斯玻色子多重性的最有效变量，其平均值约为每希格斯玻色子90 GeV。
• 由于每次测量的1σ不确定度小于30个事例，仅需10个或更少事例即可实现10%精度的希格斯玻色子多重性测量。
• 在1σ显著性水平下分辨如150与151个希格斯玻色子等连续多重性，大约需要700–900个事例。
• 缺失横向动量和轻子隔离度的区分能力有限，前者随多重性增加而微弱上升，后者则略有下降。
• 与喷射流pT的标量和相比，√ŝmin变量效果较差，因其分布较宽且在高值区域存在长尾。
• 未来通过多变量分析或喷射流子结构技术有望实现改进，尽管变量间的相关性可能限制性能提升。