[論文レビュー] Higgs boson $ZZ$ couplings in Higgs-strahlung at the ILC

Taras V. Zagoskin, Alexander Korchin|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、IUPCにおけるヒッグスストレーリング過程 $e^+e^- \to Z \to Z(\to f_Z\bar{f}_Z)h(\to f_h\bar{f}_h)$ における完全微分断面積を、オフシェルヒッグス崩壊と任意の $hZZ$ 耦合を含めて導出する。$g_1$, $g_2$, $g_3$ の $hZZ$ 観測量の最もきつい制約を与える最適な観測量を特定し、$g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ における明示的な関数的依存性を導出し、感度解析を実施する。

ABSTRACT

We derive the fully differential cross section of the Higgs-strahlung process $f \bar{f} o Z o Z ( o f_Z \bar{f}_Z) X ( o f_X \bar{f}_X)$, where $f$, $f_Z$, and $f_X$ are arbitrary fermions and $X$ is a spin-zero particle with arbitrary couplings to $Z$ bosons and fermions. This process with $f = e$ and $X = h$ ($h$ denotes the Higgs boson) is planned to be measured at the ILC to put constraints on the couplings $g_1$, $g_2$, $g_3$ of the Higgs boson to $Z$ bosons. Using the obtained fully differential cross section, we define observables measurement of which yields the tightest constraints on the couplings. Explicit dependences of these observables on $g_i$ are derived.

研究の動機と目的

• 任意のフェルミオンとスピンゼロの $X$ 粒子を伴う過程 $f\bar{f} \to Z \to Z(\to f_Z\bar{f}_Z)X(\to f_X\bar{f}_X)$ における完全微分断面積を導出すること。
• ILC環境下で任意の $hZZ$ および $hff$ 観測量、任意の電子・陽電子ビームのスピン極化を考慮すること。
• $g_1$, $g_2$, $g_3$ の $hZZ$ 観測量パラメータに対する実験的制約を最もきつく与える観測量を特定すること。
• これらの観測量が $g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ の比にどのように依存するかを、感度最適化のために分析すること。

提案手法

• 相対論的場の理論とヘリシティ振幅形式を用いて、過程 $e^+e^- \to Z \to Z(\to f_Z\bar{f}_Z)h(\to f_h\bar{f}_h)$ における完全微分断面積を導出する。
• $hZZ$ 頂点を、標準模型を越えた3つの複素数の観測量 $g_1(a_1,a_2)$, $g_2(a_1,a_2)$, $g_3(a_1,a_2)$ でモデル化する。
• 微分分布からの $g_1$, $g_2$, $g_3$ への最大感度を抽出するために、最適観測量法を適用する。
• 比 $g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ のみに依存する、9つの最適観測量 $O_1$ から $O_9$ の明示的表現を、共通係数 $G$ で正規化して導出する。
• 質量中心系フレームとスピン極化ベクトルを用いて、行列要素および角度相関を計算する。
• $f=e$, $f_Z=e,\mu$, $f_h=\tau,b$ の場合にフレームワークを検証し、実験的制約の実装に使用可能なMathematicaノートブックを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスストレーリング過程 $e^+e^- \to Z \to Z(\to f_Z\bar{f}_Z)h(\to f_h\bar{f}_h)$ において、$hZZ$ 観測量 $g_1$, $g_2$, $g_3$ に対する最もきつい制約を与える運動量観測量は何か？
• RQ2 任意のビーム極化およびオフシェルヒッグス崩壊を考慮した場合、最適観測量は $g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ の比にどのように依存するか？
• RQ3 最適観測量の感度構造は何か？ また、どの領域で観測量の変動が最大となり、観測量測定の改善に寄与するか？
• RQ4 複素数の $g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ の実部と虚部は、特に実数の観測量の場合に、観測量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ5 このフレームワークは、実験的運動量カットやフェルミオンの結合定数の違い（例：$A_e \neq A_\mu$）を考慮するために適合可能か？

主な発見

• 最適観測量 $O_1$ から $O_9$ は、共通係数 $G$ で正規化された完全微分断面積の線形結合として導出され、$g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ への感度を最大にする。
• $O_2$, $O_3$, $O_4$ は $g_2/g_1 \approx 0.17$ および $g_3/g_1 = 0$ の近傍で局所的最大値を示し、この領域での高い感度を示している。
• $O_5$, $O_6$, $O_7$, $O_8$, $O_9$ は同じ位置で鞍点を示しており、観測量の変動に対する感度の向上を確認している。
• 実数の観測量の場合、$O_7$, $O_8$, $O_9$ はゼロとなるが、$g_2$ や $g_3$ に虚数成分があると非ゼロとなり、感度が得られる。
• 観測量が $g_2/g_1$ および $g_3/g_1$ に依存する関数的構造が明示的に定量化されており、数値精度まで係数が導出されている。
• フェルミオン結合定数の変動に対してもフレームワークは頑健であり、$A_e \approx A\_\mu$ の場合に結果が有効である。また、提供されたMathematicaノートブックにより、実験的カットに対応可能な形に適合可能である。