[论文解读] Vector Boson Fusion Production of the Standard Model Higgs at the LHC

M. Vázquez Acosta|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一套全面的策略，用于在大型强子对撞机（LHC）上通过矢量玻色子融合（VBF）过程探测标准模型的希格斯玻色子，重点关注ττ、WW和γγ衰变道。通过采用先进的喷流与轨迹相关拒止技术抑制QCD背景，研究表明：在30 fb⁻¹的亮度下，H→ττ（115–140 GeV）可实现3σ显著性，H→γγ可实现2σ显著性，而H→WW在140–200 GeV范围内具备5σ发现潜力。

ABSTRACT

The cross section measurements of the Higgs boson production in the vector boson fusion (VBF) process at the LHC followed by a Higgs boson decay into tautau, WW and gamma gamma will significantly extend the possibility of Higgs boson coupling measurements. Prospective analyses with the CMS experiment are discussed for the H-> gammagamma, WW and tautau decay channels for an integrated LHC luminosity of 30 fb-1. For a Higgs boson mass in the range 115 to 140 GeV, an observation with a significance above 2 standard deviations is expected in the H to gammagamma channel, and above 3 standard deviations in the H to tautau channel. The H to WW channel offers a discovery reach above 5 sigma in the mass range 140 to 200 GeV. A new complete strategy is presented for the control of systematics and early searches at very low luminosities of the order of 1 fb-1.

研究动机与目标

• 开发适用于LHC早期VBF希格斯玻色子搜索的稳健选择策略，数据亮度较低（1 fb⁻¹）。
• 通过喷流与轨迹相关拒止技术，提升VBF希格斯产生过程中信号与背景的区分能力。
• 评估在30 fb⁻¹亮度下，VBF希格斯玻色子在H→ττ、H→WW和H→γγ衰变道中的发现潜力。
• 利用数据驱动技术精确建模ττ末态中的Z→ττ背景。

提出的方法

• 采用基于电磁量能器喷流横向能量的中央喷流拒止（CJV），以抑制QCD背景。
• 使用轨迹计数拒止（TCV），设定轨迹横向动量与轨迹数量的阈值，以增强信号选择。
• 定义α₃j = ΣpTtrk / ETj3，以将喷流关联至信号顶点，排除堆叠效应贡献。
• 在H→ττ衰变模式中，应用共线近似以重建双τ粒子的不变质量。
• 采用轮廓似然法，对信号截面乘以分支比设置95%置信水平上限。
• 通过将Z→μμ事例中的μ子替换为模拟的τ轻子及其探测器响应，实现Z→ττ背景的建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 fb⁻¹亮度下，H→ττ通道中预期观测到VBF希格斯玻色子的显著性是多少？
• RQ2 TCV算法在VBF希格斯搜索中能否实现与CJV相当的信号-背景区分能力？
• RQ3 在120–250 GeV质量范围内，H→WW通道在VBF模式下的发现可达范围如何？
• RQ4 在早期LHC搜索中，使用数据驱动技术对Z→ττ背景的建模效果如何？
• RQ5 在1 fb⁻¹数据下，VBF H→ττ通道中希格斯玻色子截面乘以分支比的预期上限是多少？

主要发现

• 对于135 GeV的希格斯玻色子质量，30 fb⁻¹亮度下H→ττ通道的统计显著性预计为3.98σ。
• 在30 fb⁻¹亮度下，H→γγ通道对115至140 GeV之间的希格斯质量，显著性高于2σ。
• 在30 fb⁻¹亮度下，H→WW通道对140至200 GeV之间的希格斯质量，具备5σ发现潜力。
• 在60 fb⁻¹数据下，H→γγ通道对115至130 GeV之间的希格斯质量，显著性可达3σ。
• TCV算法的区分能力与CJV相当，最优性能出现在第三喷流ET阈值约为80%信号效率且背景效率低于50%时。
• 数据驱动的Z→ττ背景建模技术在真实与模拟的双τ质量分布之间表现出良好一致性，验证了其在早期搜索中的适用性。