[論文レビュー] Black Holes at the LHC can Determine the Spin of Higgs Bosons

Yosuke Uehara|ArXiv.org|May 13, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー衝突で生成されたブラックホールの崩壊生成物を分析することにより、LHCにおけるヒッグス粒子のスピンを決定する新規手法を提案する。この手法は、スピン-0のヒッグス粒子が1つの自由度を持つのに対し、スピン-1のヒッグス粒子は3つの自由度を持つため、崩壊確率が3倍になるという事実を利用している。わずか2.4 fb⁻¹の光度で、スピン-0とスピン-1のヒッグス粒子を5σの有意水準で区別でき、1か月間の観測で発見が可能になる。

ABSTRACT

We propose a new method to determine the spin of Higgs bosons at the LHC by using the decay products of black holes. Black holes may be produced if TeV-scale gravity theories are correct, and black holes decay into several particles. This decay results in the emission of high energy particles, including Higgs bosons. The difference of the degree of freedom between spin 0 and spin 1 Higgs bosons leads to a difference of the number of reconstructed Higgs bosons. From this fact, we can determine the spin of Higgs bosons with $5 σ$ significance by using the integrated luminosity L = 2.4 fb^-1, which can be accumulated in only one month operation.

研究の動機と目的

• 従来の角度分布法が高いバックグラウンドと低統計的精度に直面するLHCにおけるヒッグス粒子スピンの決定という課題に対処すること。
• 角度相関に依存しない、バックグラウンドのないスピン決定の新規手法を提案すること。
• LHCにおけるトランスプランクスケールブラックホールの崩壊を活用し、ヒッグス粒子のスピン量子数を調べること。
• スピン-0とスピン-1のヒッグス粒子における自由度の違いが、イベントレートに測定可能な差をもたらすことを示すこと。

提案手法

• この手法は、6または7つの余剰次元を有するTeVスケール重力モデルを介して、非回転ブラックホール（シュバルツシルトブラックホール）がLHCで生成されることに依存している。
• ブラックホールはホーキング放射によって崩壊し、特定の粒子への崩壊レートはその自由度に依存する：スピン-0ヒッグス粒子では1、スピン-1ヒッグス粒子では3。
• 1つの再構築済みヒッグス粒子と、3つの高エネルギー粒子（ジェット、レプトン、光子）を含むイベントを検出するための高エネルギートリガを適用する。トップクォーク、W/Zボソン、タウ、ニュートリノ、および重力子を除外する。
• このようなイベントを検出する確率は P ≈ 5.1×10⁻⁴ と計算され、10⁸個の生成ブラックホールから約51,000件の候補イベントが得られる。
• ヒッグス粒子がbクォーク、WW、gg、およびττに崩壊する場合の再構築効率は92%と推定される。これはヒッグス粒子が事前に発見済みであると仮定している。
• スピン-0とスピン-1の仮説における期待されるヒッグス粒子の数を比較し、崩壊確率の違いを用いてスピン仮説を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるヒッグス粒子のスピンは、角度分布測定とは独立して決定可能か？
• RQ2 ブラックホールがヒッグス粒子に崩壊する際、スピン-0とスピン-1のヒッグス粒子ではイベント収率に測定可能な差が現れるか？
• RQ3 ブラックホール崩壊イベントを用いて、低統合光度でもスピン-0仮説に対して5σの有意水準を達成できるか？
• RQ4 厳密なトリガおよび再構築条件のおかげで、この手法はバックグラウンド汚染に対して頑健か？
• RQ5 スピン-0とスピン-1のヒッグス粒子を高い統計的有意水準で区別するにはどの程度の光度が必要か？

主な発見

• 実際のヒッグス粒子がスピン-0である場合、統合光度2.4 fb⁻¹でスピン-1仮説は210σの有意水準で棄却可能である。
• この手法は、LHCの低光度設計レート（10³³ cm⁻²s⁻¹）で1か月間の運用で十分であり、これは10⁻⁶ fb⁻¹s⁻¹に相当する。
• スピン-0仮説下では再構築ヒッグス粒子数は47,000と予想され、スピン-1仮説下では92,000に達する。これは自由度の3倍の増加によるものである。
• トリガ条件は非常に選択的であり、検出前に崩壊するか、検出されないまま消失する粒子を除外することで、バックグラウンドをほぼゼロにまで低減する。
• 指定された崩壊チャネルでは、この手法はバックグラウンドフリーである。トリガは高エネルギーで安定かつ検出可能な粒子のみを選択する。
• 120 GeVのヒッグス粒子質量と6または7次元における1 TeVの基本スケールを仮定しても、結果は頑健である。