[論文レビュー] Distinguishing `Higgs' Spin Hypotheses using gamma gamma and WW* Decays

John Ellis, Ricky Fok+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、新たに発見されたヒッグスに類似した粒子のスピン-0とスピン-2の仮説を区別するために、$gg \to X \to \gamma\gamma$ および $X \to WW^*$ 衰えにおける角度分布の使用を提案している。PYTHIAおよびDelphesを用いた現実的な背景を含むシミュレーションにより、2012年LHCデータでは保守的な仮定のもとで約3σの区別が可能であることが判明した。より楽観的な解釈では6σを超える可能性がある一方、$WW^*$および$ZZ^*$衰えにおけるカスティナル対称性の整合性は、Bratioの比による区別の限界を生じさせている。

ABSTRACT

The new particle X recently discovered by the ATLAS and CMS Collaborations in searches for the Higgs boson has been observed to decay into gamma gamma, ZZ* and WW*, but its spin and parity, J^P, remain a mystery, with J^P = 0^+ and 2^+ being open possibilities. We use PYTHIA and Delphes to simulate an analysis of the angular distribution of gg to X to gamma gamma decays in a full 2012 data set, including realistic background levels. We show that this angular distribution should provide strong discrimination between the possibilities of spin zero and spin two with graviton-like couplings: ~ 3 sigma if a conservative symmetric interpretation of the log-likelihood ratio (LLR) test statistic is used, and ~ 6 sigma if a less conservative asymmetric interpretation is used. The WW and ZZ couplings of the Standard Model Higgs boson and of a 2^+ particle with graviton-like couplings are both expected to exhibit custodial symmetry. We simulate the present ATLAS and CMS search strategies for X to WW* using PYTHIA and Delphes, and show that their efficiencies in the case of a spin-two particle with graviton-like couplings are a factor ~ 1.9 smaller than in the spin-zero case. On the other hand, the ratio of X_{2^+} to WW* and ZZ* branching ratios is larger than that in the 0^+ case by a factor ~ 1.3. We find that the current ATLAS and CMS results for X to WW* and X to ZZ* decays are compatible with custodial symmetry under both the spin-zero and -two hypotheses, and that the data expected to become available during 2012 are unlikely to discriminate significantly between these possibilities.

研究の動機と目的

• 新たに発見された125–126 GeVの粒子がスピン-0のヒッグスボソンか、重力子に類似した結合を持つスピン-2粒子かを特定すること。
• 現実的な検出器シミュレーションを用いて、$gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰えにおける角度分布のスピン-0とスピン-2の仮説を区別する能力を評価すること。
• 異なるスピン仮説のもとでの$X \to WW^*$ 衰えにおける実験的選択効率の影響を評価すること。
• $J^P = 0^+$および$2^+$仮説の下で、$WW^*$および$ZZ^*$ 衰えモードにおけるカスティナル対称性との整合性をテストすること。
• 現在の探索戦略を用いて、2012年LHCデータがスピン-0とスピン-2の仮説を顕著に区別できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 現実的な検出器効果と背景レベルを含むPYTHIAおよびDelphesを用いて、$gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰えイベントをシミュレートする。
• $\gamma\gamma$最終状態における光子の角度分布を分析し、$J^P = 0^+$と$2^+$仮説を区別する。
• 対数尤度比（LLR）検定統計量を用いて区別の有意性を定量化し、対称的および非対称的解釈を両方用いる。
• $0^+$および$2^+$仮説の下でATLASおよびCMSの$X \to WW^*$ 探索戦略をシミュレートし、検出効率を比較する。
• $0^+$および$2^+$仮説の下で、$X \to WW^*$ と$X \to ZZ^*$ の分岐比の比を評価し、カスティナル対称性の整合性をテストする。
• 30 fb$^{-1}$の2012年データを想定して、$WW^*$および$ZZ^*$率における期待される統計的不確実性を推定し、区別の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰えにおける光子の角度分布は、$J^P = 0^+$と$2^+$仮説を顕著に区別できるか？
• RQ2 ATLASおよびCMSの現在の$WW^*$ 探索戦略における、$0^+$と$2^+$スピン仮説の下での検出効率はどのように異なるか？
• RQ3 $0^+$および$2^+$仮説の下で、$X \to WW^*$ と$X \to ZZ^*$ の分岐比の比はカスティナル対称性と整合的か？
• RQ4 約30 fb$^{-1}$の統合ルミノシティを有する2012年LHCデータでは、スピン-0とスピン-2の仮説をどの程度顕著に区別できるか？
• RQ5 現在の実験的カットと背景レベルを考慮した場合、$X \to WW^*$ 衰えにおける運動量相関を用いてスピンの割り当てを区別できるか？

主な発見

• LLR検定統計量の保守的な対称的解釈を用いることで、$gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰えにおける角度分布は、$J^P = 0^+$と$2^+$仮説を約3σで区別できる。
• LLRのより楽観的な非対称的解釈を用いることで、同じ2012年データセットで区別の有意性は6σを超える。
• 重力子に類似した結合を持つスピン-2粒子に対して、ATLASおよびCMSの$WW^*$ 探索戦略の効率は、スピン-0のヒッグスボソンと比較して約1.9倍低下する。
• $X_{2^+} \to WW^*$ と$X_{2^+} \to ZZ^*$ の分岐比の比は、$X_{0^+}$と比較して約1.3倍大きくなり、効率の損失を部分的に相殺する。
• 現在のATLASおよびCMSによる$WW^*$および$ZZ^*$ 衰え率の測定は、$0^+$および$2^+$仮説の下でカスティナル対称性と整合的であり、2012年データで顕著な改善は期待されない。
• 30 fb$^{-1}$の2012年データに外挿すると、カスティナル対称性からのずれが1$\sigma$を超える可能性は低く、このチャネルによる区別の能力は制限される。