[论文解读] Searching for the Higgs at hadron colliders using the missing mass method

M. Albrow, A. Rostovtsev|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 42

一句话总结

本文提出在 Tevatron 的质子-反质子非弹性碰撞中使用缺失质量方法搜索希格斯玻色子，其中希格斯玻色子与质子和反质子反冲，导致在缺失质量谱中出现对应于希格斯玻色子质量的峰。在 100–200 GeV 范围内，分辨率约为 250 MeV，该方法在 Run II 中使用 15 fb⁻¹ 数据时具有可行性。

ABSTRACT

If the Higgs is produced with a large enough cross section in the {\em exclusive} reaction $p + \bar{p} o p + H + \bar{p}$ it will give rise to a peak at $M_H$ in the {\em missing mass} ($MM$) spectrum, calculated from the 4-momenta of the beam particles and the outgoing $p$ and $\bar{p}$. The resolution in $MM$ can be approximately 250 MeV, independent of $M_H$ from 100 GeV to 200 GeV. This high resolution makes a search feasible over nearly this full mass range at the Tevatron with 15 fb$^{-1}$ as hoped for in Run II.

研究动机与目标

• 探索在强子对撞机中通过非弹性质子-反质子碰撞检测希格斯玻色子的新方法。
• 解决在高多重性环境中识别希格斯玻色子的挑战，此时传统衰变道搜索方法难以实施。
• 证明缺失质量技术可在不依赖希格斯玻色子质量的情况下实现高分辨率，从而支持大质量范围的搜索。
• 评估在 Tevatron Run II 中预期的 15 fb⁻¹ 亮度下，使用该方法检测希格斯玻色子的可行性。

提出的方法

• 该方法通过初始束流粒子和末态质子与反质子的四momentum 重建缺失质量，对应于非弹性反应 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$。
• 缺失质量计算公式为 $MM^2 = (p_{\text{beam}} - p_{\text{out}})^2$，其中 $p_{\text{beam}}$ 和 $p_{\text{out}}$ 分别为初始态和末态粒子的四momentum。
• 当缺失质量谱在 $M_H$ 处出现峰时，表明存在质量为 $M_H$ 的希格斯玻色子。
• 该方法依赖于对末态质子与反质子动量的精确测量，以分离出希格斯信号。
• 结果显示，缺失质量分辨率在 100–200 GeV 范围内约为 250 MeV，且不随希格斯玻色子质量变化。
• 该技术适用于 Tevatron，其亮度为 15 fb⁻¹，符合 Run II 的计划。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺失质量方法是否可在大质量范围内实现高分辨率，检测非弹性 $p\bar{p}$ 碰撞中的希格斯玻色子？
• RQ2 在 100 GeV 至 200 GeV 的希格斯玻色子质量范围内，缺失质量谱的可实现分辨率是多少？
• RQ3 在 Tevatron 中，使用 15 fb⁻¹ 的积分亮度，缺失质量方法是否可行用于希格斯玻色子检测？
• RQ4 在给定范围内，缺失质量方法的分辨率如何随希格斯玻色子质量变化？
• RQ5 缺失质量方法是否可作为强子对撞机中标准衰变道搜索的可行替代方案？

主要发现

• 在 100–200 GeV 的希格斯玻色子质量范围内，缺失质量分辨率约为 250 MeV，且不随实际希格斯玻色子质量变化。
• 当希格斯玻色子在非弹性反应 $p + \bar{p} \to p + H + \bar{p}$ 中产生时，预计在缺失质量谱中 $M_H$ 处会出现可探测的峰。
• 该方法使在 Tevatron 上对几乎整个 100–200 GeV 质量范围内的希格斯玻色子搜索成为可能。
• 在 15 fb⁻¹ 的积分亮度下，缺失质量方法为希格斯玻色子的探测提供了切实可行的路径。
• 缺失质量技术的高分辨率使其适用于识别如希格斯玻色子等窄宽度共振态在非弹性末态中的信号。
• 该方法不依赖于希格斯玻色子的衰变产物，因此与传统的基于衰变的搜索方法具有互补性。