[論文レビュー] Dimension-6 Operator Constraints from Boosted VBF Higgs

Ralph Edezhath|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、ベクトルボソン融合（VBF）生成におけるブーストされたヒッグスボソンの横運動量（$p_T$）分布を分析することで、標準模型効果場理論（SMEFT）における次元6オペレーター、特に$\mathcal{O}_{HW}$オペレーターに対する制約が顕著に向上することを示している。ダイフォトン最終状態における$p_T$カットを適用することで、14 TeV LHCにおけるWW生成と同等の制約が得られるが、その際の$p_T$カットがはるかに緩いことから、高次元オペレーター効果やユニタリティ違反に対する耐性が高く、より堅牢である。

ABSTRACT

We discuss the constraints on new physics from Higgs production through vector boson fusion in the context of an effective field theory that preserves Standard Model gauge symmetries. We find that the constraints on dimension-6 operators are significantly improved over those from the VBF signal strength by studying the Higgs transverse momentum distribution. Focusing on the $\mathcal{O}_{HW}$ operator, we find that boosted VBF decaying to photons yields constraints competitive with boosted WW production in the fully leptonic final state, and calculate projected limits for both at the 14 TeV LHC. The $p_T$ cuts required to maximize the the reach of VBF searches are substantially softer, making the use of the effective field theory more robust than in the case of WW production which requires very high $p_T$ cuts to obtain similar limits. Boosted VBF Higgs is thus an important probe of new physics.

研究の動機と目的

• ブーストされたVBFヒッグス生成を用いてSMEFTフレームワーク下での次元6オペレーターに対する制約を改善すること。
• VBFヒッグスが光子に崩壊する際の$p_T$依存性を持つ観測量が、信号強度比よりも強い制約をもたらすかどうかを調査すること。
• 完全にレプトン最終状態をとるWW生成と比較して、VBFヒッグスが$\mathcal{O}_{HW}$に対して示す感度を評価すること。
• 高$p_T$におけるユニタリティ違反のリスクを評価することで、EFTに基づく制約の頑健性を検証すること。
• 新しい物理学の探査を最大化するために、VBFヒッグス探索における最適化された$p_T$カットを提言すること。

提案手法

• 次元6オペレーターをパラメータライズするため、強い相互作用的軽量ヒッグス（SILH）基底を用い、特に$\mathcal{O}_{HW}$および$\mathcal{O}_{HB}$に焦点を当てる。
• $\mathcal{O}_{HW}$が引き起こすヒッグス粒子の結合頂点への修正を、$\sim (p_1^\mu p_2^\nu + \cdots) \cdot \frac{g^2 v c_{HW}}{2\Lambda^2}$としてモデル化し、運動量依存性を導入する。
• 高エネルギー領域における$\mathcal{O}_{HW}$の$p_T$増強効果を活かし、再構成されたダイフォトン系に$p_T$カットを適用することで、$\mathcal{O}_{HW}$に対する感度を向上させる。
• $\sqrt{s} = 14$ TeVでのイベントレベルシミュレーションを、300 fb$^{-1}$および3 ab$^{-1}$の積分流量で実施し、制約の予測を行う。
• WW完全レプトン最終状態からの制約と比較し、$p_T$カットの要件とユニタリティ違反のリスクを評価する。
• 関連する$p_T$スケールでユニタリティ違反が生じないかを確認するため、$\sigma_{\text{tot}} \cdot m_{qq}^2 / (2\pi)$分布のチェックによりEFTの有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブーストされたVBFヒッグスの$p_T$分布を用いることで、信号強度測定と比較して、次元6オペレーターに対する制約が向上するか？
• RQ2 VBFヒッグスのダイフォトン崩壊における$p_T$依存性カットと、WW完全レプトン最終状態におけるカットの感度および$p_T$カット要件は、どのように比較できるか？
• RQ3 $\mathcal{O}_{HW}$オペレーターが高$p_T$領域でVBFヒッグス生成をどの程度増強するか、そしてその増強を用いて制約を改善できるか？
• RQ4 高$p_T$領域において、特にユニタリティ違反のリスクを伴うEFTに基づく制約は、VBFヒッグスから得られるもので頑健か？
• RQ5 特に$P_{LR}$対称性下で、VBFヒッグスはWW生成と比較して、$\mathcal{O}_{HW} + \mathcal{O}_{HB}$方向を競争的かつ補完的に探査できるか？

主な発見

• 14 TeV、300 fb$^{-1}$のデータで、VBFヒッグスの$\gamma\gamma$崩壊におけるダイフォトン系に$p_T > 140$ GeVのカットを適用することで、95%信頼区間の$\Lambda$制約が705 GeVまで改善される。
• 3 ab$^{-1}$の積分流量では、$p_T > 330$ GeVのカットにより、$c_{HW} = 1$のとき95%信頼区間で$\Lambda > 1200$ GeVの制約が得られる。
• VBFヒッグスで競争的な制約を得るために必要な$p_T$カットは、WW生成に比べて著しく緩く、同じ$\Lambda$制約を得るにはWW生成では$p_T > 670$ GeVが必要となる。
• $\mathcal{O}_{HW}$による$p_T$依存性の増強により、高$p_T$領域で相対的信号が30%増加し、新物理の探査に強力な手段となる。
• WW生成とは異なり、より低い$p_T$カットが必要なため、高$p_T$領域でのユニタリティ違反のリスクを回避できる。
• VBFヒッグスに$p_T$カットを適用することで、他のチャンネルがうまく制約できない$\mathcal{O}_{HW} + \mathcal{O}_{HB}$方向に対して、モデルに依存しない頑健な探査が可能となる。