[論文レビュー] Direct Measurement of the Higgs Boson Total Width at a Muon Collider

Tao Han, Zhen Liu|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、126 GeVのヒッグスボソンの全幅を、未曾有の精度で直接測定するためにミューオン衝突加速器の利用を提案している。ビームエネルギー分解能が0.01%で、統合 luminosity が0.5 fb⁻¹の条件下で、WW*およびb̄b最終状態を組み合わせることで、全幅の決定精度を±0.35 MeVに達する。これにより、標準模型およびその先のヒッグスカップリングの高精度な検証が可能になる。

ABSTRACT

In the light of the discovery of a 126 GeV Standard-Model-like Higgs boson at the LHC, we evaluate the achievable accuracies for direct measurements of the width, mass, and the s-channel resonant production cross section of the Higgs boson at a proposed muon collider. We find that with a beam energy resolution of R=0.01% (0.003%) and integrated luminosity of 0.5 fb^{-1} (1 fb^{-1}), a muon collider would enable us to determine the Standard-Model-like Higgs width to +/- 0.35 MeV (+/- 0.15 MeV) by combining two complementary channels of the WW^* and b\bar b final states. A non-Standard-Model Higgs with a broader width is also studied. The unparalleled accuracy potentially attainable at a muon collider would test the Higgs interactions to a high precision.

研究の動機と目的

• 提案されたミューオン衝突加速器において、126 GeVのヒッグスボソンの全幅を測定可能な精度を評価すること。
• ヒッグス幅、質量、sチャンネル断面積のずれに起因する標準模型からの逸脱に対する測定感度を評価すること。
• WW*およびb̄b最終状態を組み合わせることで、幅決定の精度を向上させる可能性を調査すること。
• 標準模型を超える新しい物理を示す可能性のある、より広いヒッグス幅を検出できる能力を検討すること。
• ミューオン衝突加速器を用いた共鳴生成を介して、高精度な直接幅測定の実現可能性を確立すること。

提案手法

• ミューオン-反ミューオン衝突によるsチャンネル共鳴的ヒッグスボソン生成を用いる。
• 幅抽出のための補完的で相互に補い合う2つの最終状態（WW*およびb̄b）を採用し、統計的および系貫通的安定性を向上させる。
• エネルギータギングおよび共鳴線形形状再構築を向上させるために、ビームエネルギー分解能を0.01%（0.003%）に設定する。
• 十分なイベント統計を確保するため、統合 luminosity を0.5 fb⁻¹（1 fb⁻¹）に設定する。
• 両最終状態におけるヒッグス共鳴形状を同時にフィットすることで、全幅を抽出する。
• フィットにおいてヒッグス幅を自由パラメータとしてモデル化し、標準模型および非標準模型の両方のシナリオを許容する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン衝突加速器において、126 GeVのヒッグスボソンの全幅をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 WW*およびb̄b崩壊チャンネルは、全幅決定精度にどのように寄与するか？
• RQ3 ビームエネルギー分解能（0.01%および0.003%）が、幅測定精度に与える影響は何か？
• RQ4 ミューオン衝突加速器は、新しい物理による標準模型のヒッグス幅の拡大（例えば、より広い幅）を検出できるか？
• RQ5 ヒッグス幅の精度を1 MeV未塔レベルに達成するには、どの程度の luminosity 必要か？

主な発見

• ビームエネルギー分解能が0.01%で、統合 luminosity が0.5 fb⁻¹の条件下では、ヒッグスボソンの全幅が±0.35 MeVの精度で測定可能である。
• より高いビームエネルギー分解能（0.003%）と1 fb⁻¹の luminosity を用いることで、精度は±0.15 MeVに向上する。
• WW*およびb̄b最終状態の組み合わせは、系統的不確実性を低減することで、幅決定の精度を顕著に向上させる。
• 本手法により、モデルに依存しないヒッグス全幅の直接測定が可能となり、ヒッグス系の整合性を検証する上で極めて重要である。
• 高い精度が達成可能であるため、ヒッグスカップリングの感受性の高い検証や、異常な幅の振る舞いを通じた新しい物理の発見が可能になる。
• 本研究は、ミューオン衝突加速器が数分の1 MeVレベルの精度でヒッグス幅をプローブ可能であることを確認しており、LHCの到達範囲をはるかに超える。