[論文レビュー] Determination of Spin and CP of the Higgs Boson from WBF

C. P. Buszello, Peter Marquard|ArXiv.org|Mar 24, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）において、ヒッグスボソンの弱いボソン融合（WBF）生成に続くWボソンおよびレプトンへの崩壊を用いて、特にZZ閾値未満の領域でそのスピンおよびCP量子数を決定することを提案する。タグジェットの角度とレプトン対のインヴァリアント質量の角度相関を分析することで、30 fb⁻¹のデータ量で標準模型（SM）とは異なるスピンおよびCP状態を明確に識別できることを示している。特に、タグジェットの角度は実験的カットに対して非常に頑健であることが判明した。

ABSTRACT

We explore the possibilities to determine the spin/CP properties of the Higgs boson at the LHC. To cover the mass region below the ZZ threshold we make use of the properties of the production in Weak Boson Fusion (WBF) and the decay chain H -> WW -> l nu l nu. In particular, we study the angular correlations of the forward jets and the distribution of the invariant mass of the lepton pair for different hypothetical Higgs like particles.

研究の動機と目的

• ZZ閾値未満の質量領域におけるヒッグスボソンのスピンおよびCP量子数を決定すること。この領域では、従来の四レプトン崩壊モードが効果を失う。
• WBF生成（qq → qqH）に続くH → WW → ℓνℓν崩壊を用いて、スピンおよびCP性質をプローブする可能性を検討すること。
• レプトンの運動量カットが非標準模型のヒッグスカップリングに与える感度に及ぼす影響を評価し、最大の識別能を得るためのカット戦略を最適化すること。
• 異なる選択基準下での、主な観測量（特にタグジェットの開口角と二レプトン対のインヴァリアント質量）の感度を比較すること。
• 実際の信号およびバックグラウンドのシミュレーションを用いて、非標準模型のヒッグス状態（0⁺, 0⁻, 1⁺, 1⁻）が標準模型と比べてどの程度の有意水準で除外可能かを評価すること。

提案手法

• ベクトルボソンへのヒッグスカップリングを一般化したパrametrizationを用い、CP対称、CP反対称、および混合状態を有する有効ラグランジアン（パrameter X, Y, Pを含む）で記述する。
• WBF生成（qq → qqH）およびH → WW → ℓνℓν崩壊の振幅をそれぞれ構築し、イベント生成用の全振幅に統合する。
• 電弱バックグラウンドにはMadgraph/MadEvent、クォーカー背景にはPythiaを用いてシミュレーションを行い、ATLAS研究[5]に基づくカットを適用する。
• 標準（きつい）、緩い、およびレプトンカットなしの3種類のカットセットを用い、信号効率およびバックグラウンド抑制への影響を検討する。
• 2つの主要な観測量（二レプトン対のインヴァリアント質量および前方タグジェット間の角度）を分析し、異なるスピン/CP仮説に対する感度を比較する。
• 異なるヒッグス仮説およびカット戦略下での平均二レプトン質量のずれとその不確実性を比較し、予想される除外有意水準を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZZ閾値未満の質量を持つヒッグスボソンのスピンおよびCP量子数は、WBF生成とレプトン的WW崩壊を用いて決定可能か？
• RQ2 レプトンの運動量カットは、WBF＋WW崩壊チャンネルにおける非標準模型のヒッグスカップリングに与える感度にどのように影響するか？
• RQ3 実験的カットが加えられた状況下で、タグジェット角度と二レプトン対のインヴァリアント質量のどちらが、スピン/CP状態の識別により頑健な性能を示すか？
• RQ4 30 fb⁻¹の統合されたライブネスを用いた場合、SMヒッグスボソンはスピン1またはパラメトリックなスカラー状態とどの程度まで区別可能か？
• RQ5 トップクォーク対および電弱WWプロセスからのバックグラウンド寄与は、WBFチャンネルにおけるスピンおよびCP測定にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 二レプトン対のインヴァリアント質量分布は、レプトンカットに非常に敏感であり、緩いまたはカットなしの状態では信号効率および平均質量が顕著に変化する。
• タグジェットの開口角分布は、カットの変更に対しても安定しており、スピンおよびCP量子数の識別に強力な能力を示す。
• スピン1、CP対称状態は、標準カット下でも二レプトン質量を用いて高い有意水準で除外可能であるが、きついレプトンカット下ではスピン1、CP反対称状態はSMと区別できなくなる。
• スピン1、CP反対称状態については、レプトンカットを完全に除去した場合にのみ除外が可能となるため、バイアスを避けるためにカット戦略の最適化が不可欠である。
• 30 fb⁻¹の統合ライブネスを用いれば、タグジェット角度は130–180 GeVの質量範囲において、SMヒッグスボソン（スピン0、CP対称）を信頼できる方法で確認可能である。
• 標準ATLAS研究と比較して、緩いカットではバックグラウンドが2.9倍、カットなしでは4.5倍に増加するが、信号効率の上昇により、カットを最適化すればより良い識別が可能になる。