[論文レビュー] Determination of the Higgs CP property in Hadron Colliders

Akihiro Matsuzaki, Hidekazu Tanaka|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2011

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

ひとこと要約

本稿は、ハドロン衝突加速器におけるヒッグスボソンのCP量子数をモデルに依存しない方法で特定するための3つの手法を提案する：(1) ベクトルボソン融合を介した生成の分析、(2) bクォーク崩壊モードへのCP選択則の適用、(3) t\bar{t}最終状態におけるトップクォーク崩壊からのレプトンの角度分布の測定。これらの手法は広いヒッグスボソン質量範囲で有効であり、モンテカルロシミュレーションにより、たった20イベント程度でCP偶数とCP奇数のヒッグスボソンを明確に区別できることが示されている。

ABSTRACT

We propose three ways to determine the CP eigenvalue of the Higgs boson at the hadron collider as follows: 1. We determine the Higgs CP eigenvalue from the production cross section which is affected by the CP eigenvalue of the Higgs boson. 2. We adopt the CP selection rules to determine the Higgs CP eigenvalue. 3. We determine the CP property by the momentum distribution of the decay products of the Higgs boson. Our methods can be applied for a wide range of the Higgs mass.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突加速器において、ヒッグスボソンのCP固有値をモデルに依存しない方法で特定すること。
• ヒッグスボソンの質量が低いため、Z、W、またはトップクォークへの崩壊が運動的に禁止される状況において、CP性質を同定する課題に対処すること。
• 特に軽いヒッグスボソンを対象とし、広いヒッグスボソン質量スペクトルに適用可能な実験的戦略を提供すること。
• 生成メカニズム、崩壊選択則、および崩壊生成物の運動量分布を用いて、CP偶数とCP奇数のヒッグスボソンを区別すること。

提案手法

• ベクトルボソン融合生成を用いる：CP偶数のヒッグスボソンはVV融合を通じて生成可能であるが、CP奇数のヒッグスボソンは選択則によって禁じられる。
• ヒッグス崩壊におけるbクォーク対へのCP選択則の適用：CP偶数のヒッグスボソンはB*メソンからの光子放出のない崩壊モードを好むが、CP奇数のヒッグスボソンとは異なる。
• t\bar{t}最終状態におけるトップクォーク崩壊からのレプトンの開口角分布を測定し、ヒッグスボソンのパリティ（およびしたがってCP固有値）を推定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、ヒッグスボソン静止系における角度分布のD2/D1比をモデル化し、CP偶数ではD2/D1 = 1、CP奇数ではD2/D1 = -1となるようにする。
• t\bar{t}およびVV融合過程におけるヒッグスボソンのインヴァリアント質量再構築を分析し、CP性質を区別する。
• 1年間のLHC運用における10^34 cm^{-2}s^{-1}の実際の光度条件下での、これらの手法の感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンのCP量子数は、特定の新しい物理モデルに依存せずに同定可能か？
• RQ2 ヒッグスボソンがZ、W、またはトップクォークへの崩壊が運動的に禁止される状況では、CP性質はどのように抽出可能か？
• RQ3 ベクトルボソン融合のような生成メカニズムを用いて、CP偶数とCP奇数のヒッグスボソンを区別可能か？
• RQ4 CP偶数とCP奇数のヒッグスボソンでは、bクォーク崩壊モードにおける選択則にどのような違いが生じるか？
• RQ5 t\bar{t}最終状態におけるトップクォーク崩壊からのレプトンの角度分布を用いて、ヒッグスボソンのCP固有値を同定可能か？

主な発見

• 質量400 GeVのヒッグスボソンに対して、モンテカルロシミュレーションで20イベントのサンプルからD2/D1比が1.4 ± 0.7と測定され、CP偶数のヒッグスボソンと整合的であった。
• 質量1000 GeVのヒッグスボソンに対しては、20イベントのサンプルでD2/D1比が1.8 ± 1.1と測定され、再びCP偶数のヒッグスボソンを示唆した。
• ベクトルボソン融合生成に基づく手法は、S-V-V結合が非ゼロであればCP奇数のヒッグスボソンを同定可能であるが、2HDMやMSSMにおけるβ = αまたはα + π/2のときのように結合が抑制される場合には失敗する。
• CP選択則手法により、CP偶数のヒッグスボソンはB*メソンからの光子放出をCP奇数のヒッグスボソンよりも低く抑える傾向にあり、明確な実験的シグネチャを提供する。
• tanβ = 1.5およびmA = 400 GeVのMSSMにおいて、10^34 cm^{-2}s^{-1}の光度条件下で、1年間あたり約10件の信号イベント（pp → A + t\bar{t}）が予想され、カット後の背景は10％にまで低減される。
• 3つの手法を併用することで、広いヒッグスボソン質量範囲でCP固有値を同定可能であり、CP偶数またはCP奇数の振る舞いからの任意の逸脱はCP対称性の破れを示唆する。