[論文レビュー] Determination of Higgs-boson couplings at the LHC

M. Dührssen, S. Heinemeyer+4 more|ArXiv.org|Jul 16, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCで絶対的ヒッグス粒子のカップリングを、わずかな理論的仮定（具体的には、ヒッグス–ゲージボソンカップリングが標準模型（SM）の値を上回らないこと）に基づいて決定できることを示している。一般の二重トン数模型（multi-Higgs doublet models）において一般的に成立するこの仮定のもと、300 fb⁻¹のデータ量でカップリングの精度が10–40%に達する。LHCは、M_A ≈ 350 GeVまで3σの有意性でMSSMとSMを区別でき、M_A ≈ 250 GeVまで5σの有意性で区別できる。

ABSTRACT

We investigate the determination of Higgs boson couplings to gauge bosons and fermions at the LHC from data on Higgs boson production and decay. We demonstrate that very mild theoretical assumptions, which are valid in general multi-Higgs doublet models, are sufficient to allow the extraction of absolute values of the couplings rather than just ratios of the couplings. For Higgs masses below 200 GeV we find accuracies of 10-40% for the Higgs couplings and the total Higgs boson width after several years of LHC running. The sensitivity of the Higgs coupling measurements to deviations from the Standard Model predictions is studied for an MSSM scenario.

研究の動機と目的

• LHCにおける観測不能な崩壊モードの制限を克服し、比ではなく絶対的ヒッグス粒子カップリングを決定すること。
• 多ヒッグスダブルレット模型に一般的に成立する弱い理論的仮定を用いることで、ヒッグスカップリング抽出におけるモデル依存性を低減すること。
• 特に混合なしベンチマーク状況において、MSSMにおけるSM予測からのずれに対するLHCの感受性を評価すること。
• 光度率アップグレードおよびパイルアップ効果がカップリング測定精度に与える影響を評価すること。
• 複数の生成および崩壊チャネルの統合解析により、モデルに依存しない全ヒッグス幅および部分幅の抽出を可能にすること。

提案手法

• 観測されたヒッグス信号率と生成幅および崩壊幅の積との関係を、標準模型（SM）期待値で正規化することで、狭帯域幅近似を用いる。
• ヒッグス–ゲージボソンカップリングがSM値を超えないという制約を適用する—これは一般の二重トン数模型（MSSMを含む）で一般的に成立する。
• グルーオン融合（GF）、弱いボソン融合（WBF）、トップクォークや弱いボソンとの関連生成など、LHCの複数のチャネルからの測定を統合する。
• 統計的および系貫的不確実性を組み込んだ、χ²-尤度解析を用いて観測されたイベントレートとSMおよびMSSM予測を比較する。
• チャネル間の相関を活用して、部分幅およびヤコビカップリングの絶対値を抽出するためのグローバルフィットを実施する。
• 光度率の3つのシナリオを検討する：30 fb⁻¹（低）、300 fb⁻¹（高）、およびパイルアップによるWBFチャネルの劣化を伴う混合シナリオ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い理論的仮定に依存せずに、LHCで絶対的ヒッグス粒子カップリングを抽出できるか？
• RQ2 多ヒッグス模型において絶対カップリング決定を達成するために必要な最小限の理論的仮定は何か？
• RQ3 特に混合なしベンチマーク状況において、LHCはMSSMにおけるSMヒッグスカップリングからのずれに対してどの程度感受性を示すか？
• RQ4 統合光度300 fb⁻¹の時点で、ヒッグスカップリングおよび全幅の測定精度はどの程度期待できるか？
• RQ5 高光度運転におけるパイルアップ効果が、ヒッグスカップリング測定の精度にどのように影響するか？

主な発見

• 300 fb⁻¹のデータ量で、フェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグスカップリングは、最終状態に応じて10–40%の精度で決定可能である。
• ヒッグスデータのみを用いて、LHCはM_A ≈ 350 GeVまで3σの有意性でMSSMとSMを区別でき、M_A ≈ 250 GeVまで5σの有意性で区別できる。
• ヒッグス–ゲージボソンカップリングがSM値を超えないという仮定があれば、観測不能な崩壊モードが存在しても、絶対カップリング値の抽出が可能である。
• 全ヒッグス幅は同等の精度で決定可能であり、部分幅のモデルに依存しない抽出が可能になる。
• MSSMの混合なし状況では、hbbおよびhττカップリングが増幅され、全幅が大きくなり、WW*、ZZ*、γγモードへのBrが減少する。
• WBFチャネルにおけるパイルアップによる劣化は感受性を低下させるが、中程度のM_A値では依然として顕著な発見可能性が保たれる。