[论文解读] Prospects for $\gamma\gamma o$ Higgs observation in ultraperipheral ion collisions at the Future Circular Collider

D. d’Enterria, Daniel Ernani Martins Neto+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

该论文提出在未来环形对撞机（FCC）的重离子超外围PbPb和pPb碰撞中，通过真实蒙特卡罗模拟（使用MADGRAPH 5和PYTHIA 8）观测两光子融合过程产生的希格斯玻色子（γγ → H）。结果表明，在标称亮度下，经过动量学截断后，PbPb碰撞中可观测到21个信号事例（背景事件超过28个），pPb碰撞中可观测到5个信号事例（背景事件超过6.7个），通过结合两个实验或在pPb中将数据获取时间延长至8个月，可在一年内实现5σ发现潜力。

ABSTRACT

We study the two-photon production of the Higgs boson, $\\gamma\\gamma\ o H$, at the Future Circular Collider (FCC) in ultraperipheral PbPb and pPb collisions at $\\sqrt{s_{NN}} = 39$ and 63 TeV. Signal and background events are generated with MadGraph-5, including $\\gamma$ fluxes from the proton and lead ions in the equivalent photon approximation, yielding $\\sigma(\\gamma\\gamma\ o H)$ = 1.75 nb and 1.5 pb in PbPb and pPb collisions respectively. We analyse the H$\ o b\\bar{b}$ decay mode including realistic reconstruction efficiencies for the final-state $b$-jets, showered and hadronized with PYTHIA-8, as well as appropriate selection criteria to reduce the $\\gamma\\gamma\ o b\\bar{b},c\\bar{c}$ continuum backgrounds. Observation of PbPb$\\xrightarrow{\\gamma\\gamma}$(Pb)H(Pb) is achievable in the first year with the expected FCC integrated luminosities.

研究动机与目标

• 评估在FCC能量下，通过两光子融合（γγ → H）在超外围重离子碰撞中观测希格斯玻色子产生的可行性。
• 利用真实探测器模拟和重建效率，对H → b¯b衰变模式提供信号与背景速率的定量估算。
• 评估在FCC能量下，PbPb和pPb碰撞中实现γγ → H的5σ发现显著性的潜力。
• 探索通过喷注横动量和二喷注角度分布的动量学截断，以抑制主要的γγ → b¯b连续态背景。

提出的方法

• 使用MADGRAPH 5（v2.5.4）结合希格斯有效场论和HDECAY计算分支比，模拟γγ → H、γγ → b¯b、c¯c和q¯q过程。
• 采用等效光子近似（EPA）建模质子和Pb离子的光子通量，对离子束采用Z²缩放以增强亮度。
• 使用PYTHIA 8.2对末态b夸克进行部分子辐射和强子化，随后利用Durham kT算法和FASTJET 3.0进行独占双喷注重建。
• 对喷注横动量（55–62.5 GeV）和二喷注夹角（|cos θj1j2| < 0.5）施加动量学截断，以抑制连续态背景，同时保留信号。
• 采用真实探测器性能参数：7%的b喷注能量分辨率，70%的标记效率，c夸克和轻夸克的误标率分别为5%和1.5%。
• 通过在希格斯玻色子峰附近1.4σ窗口（117–133 GeV）内统计信号事例数，并与截断后的背景水平进行比较，计算显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FCC能量下，通过预期亮度能否在超外围PbPb和pPb碰撞中观测到γγ → H的产生？
• RQ2 在FCC能量下，γγ融合过程中H → b¯b衰变的预期信号产额和背景水平是多少？
• RQ3 动量学截断是否足以抑制主要的γγ → b¯b连续态背景，从而实现5σ发现？
• RQ4 在PbPb和pPb模式下，实现5σ显著性所需的积分亮度或数据获取时长是多少？
• RQ5 考虑真实探测器性能和误识别率后，信号与背景比如何变化？

主要发现

• 在√sNN = 39 TeV和63 TeV时，PbPb和pPb碰撞中的γγ → H截面分别预测为1.75 nb和1.5 pb，理论不确定性为20%。
• 经过动量学截断后，PbPb碰撞中预期有21.1个信号事例（110 nb⁻¹）和28.0个背景事例，pPb碰撞中预期有4.8个信号事例（29 pb⁻¹）和6.7个背景事例。
• 截断后，c¯c的信号与背景比增强约400倍，q¯q的信号与背景比增强约400,000倍，连续态背景被抑制了96%。
• 在PbPb中，通过结合两个实验或在单个实验中将亮度加倍，可在一年内实现5σ发现显著性。
• 在pPb中，实现5σ显著性需要8个月的数据获取时间或结合两个实验，表明由于亮度较低且背景较高，需要更长的曝光时间。