[論文レビュー] Determining the CP properties of the Higgs boson

P. S. Bhupal Dev, A. Djouadi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、将来の $e^{+}e^{-}$ コライダーにおいて、関連する $t\bar{t}H$ 生産における全微分断面積とトップクォークのスピン極化を測定することで、標準模型に類似したヒッグスボソンのCP性質を明確に特定できる手法を提案する。この手法は、スカラー ($0^{++}$) と擬スカラー ($0^{-+}$) ヒッグス状態を、それぞれの閾値行動とスピン非対称性の違いによって区別する。500 fb$^{-1}$ の統計的精度において、擬スカラーに類似した状態に対してCP混合パラメータ $b$ の感度が $ abla b \sim 0.01$ に達する。

ABSTRACT

The search and the probe of the fundamental properties of Higgs boson(s) and, in particular, the determination of their charge conjugation and parity (CP) quantum numbers, is one of the main tasks of future high-energy colliders. We demonstrate that the CP properties of a Standard Model-like Higgs particle can be unambiguously assessed by measuring just the total cross section and the top polarization in associated Higgs production with top quark pairs in e+e- collisions.

研究の動機と目的

• 高エネルギー $e^{+}e^{-}$ 衝突において、標準模型に類似したヒッグスボソンのCP量子数を明確に特定すること。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における既存のCP感受性観測量の限界を克服すること。LHCの観測では大規模なQCD背景と感度の低さが問題である。
• モデル依存の正規化や高次の補正に依存しない、単純で直接的かつ統計的に安定した手法を提供すること。
• $t\bar{t}H$ 耦合におけるCP偶性とCP奇性のヒッグス成分間の混合パラメータ $b$ を測定することで、CP破れを探索すること。

提案手法

• 中心エネルギー $ olimits{s}$ に依存する全微分断面積 $\sigma(e^{+}e^{-}\to t\bar{t}H)$ を測定し、スカラーと擬スカラーのヒッグスボソンで異なる閾値行動を示す。
• トップクォークのスピン極化 $P_t$ を測定する。これは、$\gamma$ と $Z$ 交換ダイアグラムの干渉により、ヒッグスボソンのCP性質に強く敏感である。
• $\sqrt{s}=800$ GeV におけるスカラーと擬スカラーのヒッグスボソンの $P_t$ 値の比を用い、$Zt\bar{t}$ 軸性ベクトルカップリングの相対的強度を抽出する。この比は約3の差を示す。
• パラメータ $b$ を用いてCP混合を定量化する。$b=0$ は純粋なCP偶性、$b=1$ は純粋なCP奇性に対応する。
• 偏光した $e^{+}e^{-}$ ビームを用いることで、トップクォークのスピン極化信号を強化し、$b$ の統計的感度を向上させる。
• トップクォーク平面に対する反トップクォークの方位角非対称性を分析する。この非対称性は $b$ に対して線形であり、直接的にCP破れをプローブする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な角度相関に依存せずに、$e^{+}e^{-}$ 衝突において標準模型に類似したヒッグスボソンのCP量子数を明確に特定できるか？
• RQ2 $t\bar{t}H$ 生産において、CP偶性とCP奇性のヒッグスボソンの全微分断面積とトップクォークのスピン極化はどのように異なるか？
• RQ3 実現可能な光度とエネルギー条件下で、全微分断面積とスピン極化はCP混合パラメータ $b$ に対してどの程度感度を示すか？
• RQ4 上-下非対称性のようなP奇性の観測量は、ヒッグス系におけるCP破れを直接プローブできるか？

主な発見

• 全微分断面積 $\sigma(e^{+}e^{-}\to t\bar{t}H)$ は、CP混合パラメータ $b$ に近い閾値で急激に変化し、CP性質への高い感度を示す。
• $\sqrt{s} = 800$ GeV および $\mathcal{L} = 500$ fb$^{-1}$ の条件下で、擬スカラーに類似したヒッグスボソン（$b=1$）に対して $b$ の感度が $ abla b \sim 0.01$ に達する。これは $\Phi \to \tau\tau$ 衰えの約10%精度よりも顕著に優れている。
• トップクォークのスピン極化 $P_t$ は、明確でCP奇性感受性の高い観測量である。$\sqrt{s}=800$ GeV におけるスカラーと擬スカラーのヒッグスボソンの $P_t$ 値の比は、$Zt\bar{t}$ カップリングの軸性ベクトル性質により約3の差を示す。
• トップクォーク平面に対する反トップクォークの上-下非対称性は $b$ に対して線形であり、$M_\Phi = 120$ GeV および $\sqrt{s} = 800$ GeV 時に最大で5%に達する。これはCP破れの直接的プローブを提供する。
• この手法は、絶対断面積に依存しないため、正規化の不確実性や高次の補正に対して頑健である。比としての断面積とスピン非対称性に依存するためである。
• 偏光した初期状態ビームは、トップクォークのスピン極化信号を3倍に強化し、特に $b \sim 1$ 時に $b$ の決定における統計的精度を向上させる。