[論文レビュー] Exploring BSM Higgs couplings in single top-quark production

Manfred Kraus, Till Martini+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、$t$-チャネル $pp \to tH$ 反応を通じたシングルトップクォーク生成におけるCP非対称なBSMヒッグス結合を調査し、マトリックス要素法を用いてシミュレーテッドLHCデータからCP混合角 $\alpha$ を抽出する。300~\text{fb}^{-1}の統計的光度と3\%の信号効率を想定すると、微小な断面積と困難な背景の影響にもかかわらず、高光度LHCフェーズにおける発見可能性が達成可能である。

ABSTRACT

In this article we study a Standard Model extension modifying the top-quark Yukawa coupling to the Higgs boson by allowing a mixture of CP-odd and -even couplings. Single top-quark production in association with an additional Higgs boson provides a natural laboratory to search for such extensions. However, because of the small cross section the experimental analysis is challenging. Already the measurement of the cross section for this process is highly non-trivial. Furthermore, using only cross section measurements, a certain parameter region would escape detection. Using an explicit BSM scenario we show that employing the Matrix Element Method a precise measurement becomes feasible. Ignoring signal detection efficiencies an integrated luminosity of about 20 fb^-1 would allow a discovery. Assuming signal detection efficiencies at the level of a few percent a potential signal could be established in the high luminosity phase of the LHC.

研究の動機と目的

• CP奇およびCP偶のヒッグス混合を通じて、トップクォークのイェンガーラインカップリングにおける標準模型からのずれを調査すること。
• 微小な断面積と複雑な背景の影響により、稀な $pp \to tH$ 反応を検出する課題に対処すること。
• 連続的なCP違反のパラメータ化を伴うBSM状況において、マトリックス要素法を用いてCP混合角 $\alpha$ を測定する可能性を示すこと。
• 5\sigmaの発見に必要な光度を評価し、信号検出効率が感度に与える影響を検討すること。

提案手法

• CP非対称なトップクォークのイェンガーラインカップリングを有するBSMモデルを採用し、混合角 $\alpha$ でパラメータ化する。トップクォーク質量は固定する。
• マトリックス要素法を用いてハドロン最終状態から部分的過程を再構築し、イベントレベルの運動量からCP混合角を高精度で抽出する。
• NLO QCDでの行列要素計算に基づいて尤度関数を構築し、スケールの変動による系統的不確実性を推定する。
• 統計的不確実性は、尤度関数の最小値回りの曲率から導出する。系統的不確実性は、因子化および重正化スケールの変動によって評価する。
• 実験的課題を反映して、信号検出効率を3\%として仮定する。
• 感度と不確実性の進化を予測するため、複数の光度シナリオ（36、80、および300~\text{fb}^{-1}）におけるシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的条件下で、マトリックス要素法は $pp \to tH$ 反応において $\alpha \approx 22.5^\circ$ のCP混合角を検出可能か？
• RQ2 高光度LHCにおいて、3\%の信号検出効率を想定した場合、BSM信号で3\sigmaの有意性が達成可能か？
• RQ3 シングルトップクォーク生成におけるCP非対称なBSM効果を5\sigmaで発見するための統合光度はどの程度か？
• RQ4 統計的および系統的不確実性が、光度の増加に伴いCP混合角にどのように変化するか？
• RQ5 断面積測定のみで、$\alpha \leq 25^\circ$ のBSM状況と標準模型を区別可能か？

主な発見

• 300~\text{fb}^{-1}の統合光度と3\%の信号検出効率を想定すると、$\alpha = 22.5^\circ \pm 0.9^\circ$（統計的不確実性）のBSM状況で3\sigmaの信号有意性が達成可能である。
• CP混合角の統計的不確実性は $1/\sqrt{L}$ のように減少し、300~\text{fb}^{-1}で $\pm 0.9^\circ$ にまで低下するが、系統的不確実性は約 $\pm 0.7^\circ$ でほぼ一定を保つ。
• 信号検出効率を無視すれば、約20~\text{fb}^{-1}のデータで5\sigmaの発見が可能であるが、3\%の効率を考慮すると300~\text{fb}^{-1}が必要となる。
• 光度 $L \approx 425~\text{fb}^{-1}$ を超えると、理論的不確実性（系統的）が制限要因となり、データ収集の恩恵に限界が生じることを示している。
• 混合角が25\degreeまでの場合、断面積測定のみでは標準模型とBSM状況を区別できないため、微分的解析の必要性が強調される。
• 十分な光度と安定した理論予測を想定した場合、マトリックス要素法は長期的に $\pm 0.7^\circ$ の絶対的精度でCP混合角を抽出する強力なツールを提供する。