[论文解读] Report of the Higgs Working Group of the Tevatron Run 2 SUSY/Higgs Workshop

Marcela Carena, JS Conway+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 95

一句话总结

本文使用蒙特卡洛模拟和贝叶斯统计方法，评估了费米实验室的 Tevatron 在 Run 2 期间对标准模型（SM）和最小超对称标准模型（MSSM）希格斯玻色子的发现潜力。结果表明，为在 180 GeV 以内实现 SM 希格斯玻色子的 3σ 证据，每个探测器需要 25 fb⁻¹ 的积分亮度；而即使在 30 fb⁻¹ 的情况下，5σ 发现也仅限于约 130 GeV 以下的希格斯质量。MSSM 希格斯玻色子的发现对参数空间的亮度需求类似，但在高-tanβ 区域，通过与 b\bar{b} 对的关联产生可显著提升探测灵敏度。

ABSTRACT

This report presents the theoretical analysis relevant for Higgs physics at the upgraded Tevatron collider and documents the Higgs Working Group simulations to estimate the discovery reach in Run 2 for the Standard Model and MSSM Higgs bosons. Based on a simple detector simulation, we have determined the integrated luminosity necessary to discover the SM Higgs in the mass range 100-190 GeV. The first phase of the Run 2 Higgs search, with a total integrated luminosity of 2 fb-1 per detector, will provide a 95% CL exclusion sensitivity comparable to that expected at the end of the LEP2 run. With 10 fb-1 per detector, this exclusion will extend up to Higgs masses of 180 GeV, and a tantalizing 3 sigma effect will be visible if the Higgs mass lies below 125 GeV. With 25 fb-1 of integrated luminosity per detector, evidence for SM Higgs production at the 3 sigma level is possible for Higgs masses up to 180 GeV. However, the discovery reach is much less impressive for achieving a 5 sigma Higgs boson signal. Even with 30 fb-1 per detector, only Higgs bosons with masses up to about 130 GeV can be detected with 5 sigma significance. These results can also be re-interpreted in the MSSM framework and yield the required luminosities to discover at least one Higgs boson of the MSSM Higgs sector. With 5-10 fb-1 of data per detector, it will be possible to exclude at 95% CL nearly the entire MSSM Higgs parameter space, whereas 20-30 fb-1 is required to obtain a 5 sigma Higgs discovery over a significant portion of the parameter space. Moreover, in one interesting region of the MSSM parameter space (at large tan(beta)), the associated production of a Higgs boson and a b b-bar pair is significantly enhanced and provides potential for discovering a non-SM-like Higgs boson in Run 2.

研究动机与目标

• 使用升级后的 CDF 和 DØ 探测器评估 Tevatron Run 2 期间标准模型希格斯玻色子的发现潜力。
• 评估对最小超对称标准模型（MSSM）希格斯场的敏感度，特别是轻的 CP 偶性希格斯玻色子。
• 确定实现 SM 和 MSSM 希格斯玻色子 95% 置信水平（CL）排除以及 3σ/5σ 发现显著性的所需积分亮度。
• 探索 MSSM 中的增强搜索通道，特别是在大 tanβ 区域，其中与 b\bar{b} 对的关联产生可提高探测灵敏度。
• 基于贝叶斯后验概率密度函数和频率学置信区间，建立解释发现与排除结果的统计框架。

提出的方法

• 使用简单的探测器模拟估算信号和背景事件率，作为希格斯玻色子质量与积分亮度的函数。
• 应用贝叶斯统计方法，计算信号强度 f 的后验概率密度函数（p.d.f.），比较信号假设（f=1）与零假设（f=0）下的最大似然值。
• 通过最大后验似然与零假设似然之比定义统计显著性，并将其转换为等效的高斯 σ 水平。
• 利用伪实验集合确定在 50% 的可能结果中达到给定显著性阈值（如 3σ 或 5σ）所需的亮度。
• 通过在似然计算中卷积高斯分布来纳入系统不确定性，近似通过数值积分实现。
• 通过将 SM 希格斯发现需求映射到 MSSM 参数空间，重新解释结果，特别关注轻的 CP 偶性希格斯玻色子以及在大 tanβ 下与 b\bar{b} 对的关联产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tevatron 在 100–190 GeV 质量范围内实现 SM 希格斯玻色子 95% CL 排除，需要多大的积分亮度？
• RQ2 Tevatron Run 2 程序中，实现 SM 希格斯玻色子 3σ 证据和 5σ 发现显著性，需要多大的亮度？
• RQ3 MSSM 希格斯场的发现能力与 SM 相比如何，特别是在大 tanβ 等参数空间区域？
• RQ4 在 MSSM 中，希格斯玻色子与 b\bar{b} 对的关联产生在多大程度上能增强对非 SM 型希格斯玻色子的发现潜力？
• RQ5 在 Higgs 搜索相关的低统计量环境下，贝叶斯后验 p.d.f. 与频率学置信区间等统计方法如何比较？

主要发现

• 每个探测器拥有 2 fb⁻¹ 的积分亮度时，Tevatron Run 2 的 95% CL 排除灵敏度可与 LEP2 运行末期的预期水平相当。
• 每个探测器达到 10 fb⁻¹ 时，95% CL 排除可扩展至 180 GeV 的希格斯质量，且在 125 GeV 以下的希格斯质量下可观察到 3σ 效应。
• 每个探测器拥有 25 fb⁻¹ 时，可在高达 180 GeV 的希格斯质量范围内实现 SM 希格斯产生 3σ 证据。
• 即使每个探测器达到 30 fb⁻¹，5σ 发现显著性也仅能实现于约 130 GeV 以下的 SM 希格斯质量。
• 对于 MSSM，每个探测器 5–10 fb⁻¹ 可实现对几乎整个希格斯参数空间的 95% CL 排除，而 20–30 fb⁻¹ 才能实现参数空间中显著区域的 5σ 发现。
• 在 MSSM 的高-tanβ 区域，希格斯玻色子与 b\bar{b} 对的关联产生可显著提升对非 SM 型希格斯玻色子的发现潜力。