[論文レビュー] Determination of the muon Yukawa coupling at high energy e+e- linear colliders

M. Battaglia, A. De Roeck|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー $e^+e^-$ ライニアーコライダーにおける $H^0 \to \mu^+\mu^-$ の希少なヒッグス崩壊を用いて、ミューオンのユカワカップリングを測定する手法を提案している。$\sqrt{s} = 0.8$ TeV および $3.0$ TeV でのヒッグスストラーレンスと $WW$ フュージョン過程を用い、それぞれ 1 ab$^{-1}$ および 5 ab$^{-1}$ の全レアレンスを想定した場合、$M_H \leq 155$ GeV の範囲で $5\sigma$ の信号の有意性を示し、$g_{H\mu\mu}$ の決定において 4\%--11\% の精度を達成した。これは、レプトンの質量生成がヒッグス機構によって説明されることを確認するものである。

ABSTRACT

The perspectives for the observation of the rare decay H -> mumu decay and the determination of the muon Yukawa coupling at a TeV-class and at a multi-TeV e+e- linear colliders are discussed. The signal for the decay can be obtained at 0.8 TeV and a first estimate of the coupling derived. A linear collider operating at 3 TeV, with high luminosity, is able to improve the accuracy on this couplings to 4% to 11% for 120 GeV < M_H < 150 GeV.

研究の動機と目的

• ヒッグス機構による質量生成をテストするため、ミューオンのユカワカップリング $g_{H\\mu\\mu}$ を測定すること。
• 高エネルギー $e^+e^-$ ライニアーコライダーにおける希少ヒッグス崩壊 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ の分岐比を決定すること。
• ヒッグスカップリングの精度テストをフェルミオンのスケーリングに従ってレプトン領域へ拡張し、質量に比例する関係を検証すること。
• この測定において、TeVクラスとマルチTeV級 $e^+e^-$ コライダーの性能を比較すること。
• $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 崩壊の観測可能性を、支配的であるバックグラウンドと比較して評価すること。

提案手法

• 信号イベントは、$WW$ フュージョンおよびヒッグスストラーレンス過程における $H^0 \to \mu^+\mu^-$ の場合に、Pythia-6 モンテカルロを用いて生成された。
• バックグラウンド過程（$WW \to \mu\nu\mu\nu$、$ZZ \to \mu\mu\nu\bar{\nu}$、$\mu\mu\nu\bar{\nu}$）は、CompHEP および Pythia を用いてシミュレートされた。
• 検出器の応答は、TeVおよびマルチTeV LCの期待値に合わせて調整されたパラメトリックシミュレーションである Simdet を用いてモデル化され、ミューオンの運動量分解能は $\delta p/p^2 = 5 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$ とされた。
• 信号およびバックグラウンド断面積は CompHEP を用いて計算され、分岐比は HDecay を用いて算出された。
• 二ミューオンのインバリアント質量分布は、ガウス型信号と多項式型バックグラウンドのフィッティングにより、信号イベントの抽出が可能となった。
• 生産断面積に 2\% の不確実性を仮定したもとで、測定された $\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$ からミューオンのユカワカップリングが抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 0.8$ TeV で 1 ab$^{-1}$ の統合レアレンスを有する状況下で、希少ヒッグス崩壊 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ は観測可能か？
• RQ2 3 TeV の $e^+e^-$ ライニアーコライダーで 5 ab$^{-1}$ のデータ取得が可能な場合、ミューオンのユカワカップリング $g_{H\mu\mu}$ の決定精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 ミューオンコライダーまたはハドロンコライダーと比較して、マルチTeV級 $e^+e^-$ コライダーの $g_{H\mu\mu}$ 測定性能はいかがなものか？
• RQ4 高エネルギー $e^+e^-$ コライダーにおいて、$H^0 \to \mu^+\mu^-$ 崩壊は効率的に再構築され、バックグラウンドから分離可能か？
• RQ5 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV において、$H^0 \to \mu^+\mu^-$ の $5\sigma$ の信号有意性が達成可能なヒッグス粒子質量の最大値は何か？

主な発見

• $\sqrt{s} = 0.8$ TeV で 1 ab$^{-1}$ のレアレンスを有する場合、$M_H \simeq 120$ GeV の範囲で $H^0 \to \mu^+\mu^-$ の信号は 5$\sigma$ 以上の有意性で観測された。
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV で 5 ab$^{-1}$ のデータ取得時、$M_H = 120$ GeV の場合、$\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$ の統計的精度は 7.2\% に達した。
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV で 5 ab$^{-1}$ のデータ取得時、$M_H = 120$ GeV の場合、ミューオンのユカワカップリング $g_{H\mu\mu}$ の精度は 4.0\% に向上し、$M_H = 140$ GeV の場合も 6.2\% に達した。
• $M_H = 150$ GeV の場合、$g_{H\mu\mu}$ の精度は 10.6\% にまで上昇し、$WW$ 閾値近辺での性能限界を示した。
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV で 5 ab$^{-1}$ のデータ取得時、$H^0 \to \mu^+\mu^-$ の信号は $M_H \simeq 155$ GeV まで観測可能であり、$>5\sigma$ の有意性を維持した。
• 3 TeV の $e^+e^-$ コライダーでは、$g_{H\mu\mu}$ の決定精度がヒッグスピークにおけるミューオンコライダーと同等であり、200 TeV のVLHCのそれよりも2倍以上優れた性能を示した。