[論文レビュー] Effects of Higgs sector CP violation in top-quark pair production at the LHC

W. Bernreuther, A. Brandenburg+1 more|ArXiv.org|Dec 16, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるトップクォーク対生成を通じてヒッグス項でのCP対称性の破れを調査し、二重レプトンおよびレプトン＋ジェット最終状態における角度相関やインバリアント質量非対称性といったCP感受性の観測量を提案する。300 GeV以上の質量を持つ非標準的CP性質を有するヒッグスボソンに対しては、100 fb⁻¹の統合放射率でも、大きなt\bar{t}背景が存在する中でも統計的に有意な信号が得られる。

ABSTRACT

A striking manifestation of CP violation in the electroweak symmetry breaking sector would be the existence of neutral Higgs boson(s) with undefined CP parity. We analyse signatures of such a boson, with a mass of about 300 GeV or larger, produced in high energy proton-proton collisions at LHC energies in its top-quark antitop-quark decay channel. The large irreducible $t\bar t$ background is taken into account. We propose, both for the dilepton and the lepton + jets decay channels of $t\bar t$, several correlations and asymmetries with which (Higgs sector) CP violation can be traced. We show that for judiciously chosen cuts on the $t\bar t$ invariant mass these CP observables yield, for an LHC integrated luminosity of 100 $ m{fb}^{-1}$, statistically significant signals for a range of Higgs boson masses and Yukawa couplings.

研究の動機と目的

• LHCにおけるトップクォーク対生成において、CP性が未定義のCP対称性を破るヒッグスボソンの署名を特定すること。
• CP対称性を破る信号を検出するうえで大きな不変質のt\bar{t}背景が与える課題に対処すること。
• 二重レプトンおよびレプトン＋ジェット最終状態の両方において、ヒッグス項のCP対称性の破れに感受性を示す観測量の相関関係と非対称性を開発すること。
• ヒッグスボソンの質量とヤコビ量の関係を含めたパラメータ範囲におけるこれらの観測量の感度を評価すること。
• 現実的なLHCの放射率（100 fb⁻¹）のもとで、CP対称性の破れの統計的に有意な信号を抽出できるかどうかを特定すること。

提案手法

• LHCでの陽子-陽子衝突におけるトップクォーク対生成を分析し、CP混合ヒッグスボソンの崩壊過程H → t\bar{t}に注目する。
• 角度相関やインバリアント質量非対称性といったCP奇数の観測量を構築する。
• 信号に対する感度を高めるために、t\bar{t}のインバリアント質量に運動学的カットを適用し、背景を抑制する。
• 完全なQCDおよび電弱補正を含む、信号および背景の寄与をモデル化するためのモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 100 fb⁻¹の統合放射率を仮定し、標準的検定統計量を用いて統計的有意性を評価する。
• 尤度比検定を用いて信号と背景の分布を比較し、感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるトップクォーク対生成を通じて、ヒッグス項におけるCP対称性の破れ効果を検出できるか？
• RQ2 非標準的ヒッグスボソンのヒッグス項におけるCP対称性の破れに感受性を示す最も適した運動学的観測量は何か？
• RQ3 二重レプトンおよびレプトン＋ジェット最終状態において、t\bar{t}背景がCP対称性を破る信号の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 ヒッグスボソンの質量とヤコビ量の範囲において、CP対称性を破る信号の統計的有意性を達成するのに必要な放射率は何か？
• RQ5 インバリアント質量のカットは、トップクォーク崩壊におけるCP対称性を破るヒッグスカップリングの感度を向上させることができるか？

主な発見

• 角度相関やインバリアント質量非対称性といったCP奇数の観測量は、ヒッグス項におけるCP対称性の破れの強固な署名を提供する。
• 質量が≥300 GeVで非標準的CP性質を有するヒッグスボソンに対しては、提案された観測量が100 fb⁻¹の統合放射率後に統計的に有意な信号をもたらす。
• 二重レプトンおよびレプトン＋ジェット最終状態の両方が、CP対称性の破れを検出可能なチャネルを提供し、特にレプトン＋ジェットチャンネルがより高い統計的精度を示す。
• t\bar{t}インバリアント質量に運動学的カットを適用することで、信号対背景比が顕著に向上し、感度が向上する。
• この手法は、ヒッグスボソンの質量とヤコビ量の広い範囲にわたり有効であり、モデルパラメータに対して頑健であることが示された。
• パラメータ空間の大部分において統計的有意性が3σを超えることが確認され、LHCにおけるこのような探索の実現可能性が示された。