[论文解读] Status of Higgs Boson Searches at the Tevatron

A. Sopczak|ArXiv.org|Mar 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文总结了截至2008/2009年冬季的 Tevatron 对撞机中 Higgs 玻色子的搜索现状，利用 CDF 和 DØ 实验的数据，给出了基于模型无关和基于模型的 Higgs 玻色子质量与耦合的限制。关键结果是首次在 95% 置信水平下直接排除了质量范围为 160–170 GeV 的标准模型 Higgs 玻色子，超越了此前 LEP 的限制，标志着 LHC 时代到来前的重要里程碑。

ABSTRACT

Over the last years the Tevatron Run-II has extended several limits on Higgs boson masses and coupling which were pioneered during the LEP accelerator operation between 1989 and 2000. Higgs boson searches will also be at the forefront of research at the LHC. This review concisely discusses the experimental constraints set by the CDF and D0 collaborations in winter 2008/2009 at the beginning of the LHC era. Model-independent and model-dependent limits on Higgs boson masses and couplings have been set and interpretations are discussed both in the Standard Model and in extended models. Recently, for the first time the Tevatron excludes a SM Higgs boson mass range (160-170 GeV) beyond the LEP limit at 95% CL. The experimental sensitivities are estimated for the completion of the Tevatron programme.

研究动机与目标

• 总结 CDF 和 DØ 合作组在 Run-II 期间对 Higgs 玻色子质量与耦合的实验约束。
• 呈现各种末态下 Higgs 玻色子产生与衰变的模型无关和模型相关限制，包括标准模型与超出标准模型（BSM）情形。
• 报告首次在 95% 置信水平下直接排除质量范围为 160–170 GeV 的标准模型 Higgs 玻色子，超越了先前 LEP 的限制。
• 评估 Tevatron 在其项目结束时对标准模型与超出标准模型 Higgs 玻色子的实验灵敏度，特别是在即将开始的 LHC 物理背景下。
• 强调理论模型与实验数据之间的协同作用，以解释多条衰变道中 Higgs 搜索结果。

提出的方法

• 利用 CDF 和 DØ 在 √s = 1.96 TeV 下收集的质子-反质子对撞数据，截至 2008/09 年冬季，积分亮度达到约 ~5 fb⁻¹。
• 应用先进的 b-夸克标记技术，包括来自顶点探测器（如 CDF 的 L00a 层）的改进影响参数分辨率，以增强对 H→bb̄ 衰变的敏感度。
• 针对 Higgs 玻色子通过胶子融合（gg→H→WW）、关联产生（WH, ZH）以及稀有衰变（H→γγ, H→τ⁺τ⁻, H→tt̄）开展专门搜索，采用优化的运动学与拓扑选择标准。
• 采用统计方法，如 Feldman-Cousins 置信区间和伪实验模拟，以设定分支比和信号强度的上限。
• 针对带电 Higgs 玻色子（H⁺, H⁺⁺）和费米子禁闭 Higgs 玻色子开展模型特定搜索，分析如 H⁺→cs、H⁺⁺→μ⁺μ⁺ 和 H→γγ 等末态。
• 将多个衰变道与实验（CDF 和 DØ）的结果相结合，以提高灵敏度，并设定 Higgs 质量与耦合的排除限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 截至 2008/09 年冬季，Tevatron 收集的数据对标准模型 Higgs 玻色子质量与耦合的当前实验限制是什么？
• RQ2 Tevatron 是否能够排除 160–170 GeV 范围内的标准模型 Higgs 玻色子，超越 LEP 的限制？
• RQ3 CDF 和 DØ 对各类 Higgs 衰变模式（如 H→bb̄、H→WW、H→γγ）的灵敏度如何比较？自 2005 年以来有何改进？
• RQ4 在超出标准模型的理论模型中，对奇异 Higgs 玻色子（如 H⁺、H⁺⁺、b̄b̄A）的限制是什么？
• RQ5 Tevatron 的结果在多大程度上超越了 LEP 的限制？在 Run-II 结束时的预期灵敏度如何？

主要发现

• Tevatron 首次在 95% 置信水平下直接排除了质量范围为 160–170 GeV 的标准模型 Higgs 玻色子，超越了此前 LEP 的 114.4 GeV 限制。
• 对于质量为 120 GeV 的标准模型 Higgs 玻色子，每个实验在约 ~5 fb⁻¹ 数据下预计产生约 5,000 个 Higgs 玻色子，证实了 Tevatron 的高产率。
• 对标准模型 Higgs 玻色子搜索的灵敏度提升速度超过仅由统计规律预测的预期，这主要得益于分析技术的改进与 b-标记性能的提升。
• CDF 和 DØ 对顶夸克衰变为带电 Higgs 玻色子的分支比设定了新限制，观测（预期）限制分别为 BR(t→H⁺b) < 0.35 (0.25)，适用于质量为 80 GeV 的 H⁺ 玻色子衰变为 cs。
• 在 95% 置信水平下设定了费米子禁闭 Higgs 玻色子衰变为 γγ 的限制，CDF 排除质量低于 ~100 GeV，DØ 排除质量低于 ~105 GeV，基于 4.2 fb⁻¹ 数据集。
• 基于二轻子质量谱与同号轻子终态的搜索，双荷 Higgs 玻色子（H⁺⁺）在 ~99 GeV 以内被排除，置信水平为 95%。