[論文レビュー] Higgs measurement at e+e- circular colliders

M. Q. Ruan|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、将来のe⁺e⁻円形衝突機、特にFCC-eeおよびCEPCにおいて、240 GeV付近の中心系エネルギーでのヒッグス放出およびベクトルボソン融合過程を活用して、高精度なヒッグスボソン測定を提案している。5〜10年間で5–10 ab⁻¹の統合 luminosity を得ることで、フェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグスカップリング、ヒッグス幅、および分岐比を千分率レベルまで、すなわち1%未塔の精度で測定可能となり、多TeVスケールの新しい物理学を探査可能となる。

ABSTRACT

Now that the mass of the Higgs boson is known, circular electron positron colliders, able to measure the properties of these particles with high accuracy, are receiving considerable attention. Design studies have been launched (i) at CERN with the Future Circular Colliders (FCC), of which an e+e- collider is a potential first step (FCC-ee, formerly caller TLEP) and (ii) in China with the Circular Electron Positron Collider (CEPC). Hosted in a tunnel of at least 50 km (CEPC) or 80-100 km (FCC), both projects can deliver very high luminosity from the Z peak to HZ threshold (CEPC) and even to the top pair threshold and above (FCC-ee). At the ZH production optimum, around 240 GeV, the FCC-ee (CEPC) will be able to deliver 10 (5) ab-1 integrated luminosity in 5 (10) years with 4 (2) interaction points: hence to produce millions of Higgs bosons through the Higgsstrahlung process and vector boson fusion processes. This sample opens the possibility of subper- cent precision absolute measurements of the Higgs boson couplings to fermions and to gauge-bosons, and of the Higgs boson width. These precision measurements are potentially sensitive to multi-TeV range new physics interacting with the scalar sector. The ZH production mechanism also gives access to the invisible or exotic branching ratios down to the per mil level, and with a more limited precision to the triple Higgs coupling. For the FCC-ee, the luminosity expected at the top pair production threshold (sqrt(s) ~ 340-350 GeV) further improves some of these accuracies significantly, and is sensitive to the Higgs boson coupling to the top quark.

研究の動機と目的

• 高出力e⁺e⁻衝突を用いて、ヒッグスボソンのフェルミオンおよびゲージボソンへのカップリングを1%未塔の精度で測定すること。
• Zとヒッグスの共鳴生成領域（ZH閾値）での測定により、ヒッグスボソン幅を高精度で決定すること。
• ZH生成を用いて、不可視および特異なヒッグス崩壊分岐比を千分率レベルまで探査すること。
• トップクォーク対生成閾値付近での高エネルギー運転により、三重ヒッグスカップリングおよびトップクォークのユカワカップリングにアクセスすること。
• スカラー系における標準模型を超える新しい物理学への感受性を、将来の円形e⁺e⁻衝突機がどのように持つか評価すること。

提案手法

• 中心系エネルギー √s ≈ 240 GeV でのヒッグス放出（e⁺e⁻ → ZH）を用い、数百万個のヒッグスボソンを生成する。
• 同じエネルギーでのベクトルボソン融合（VBF）過程を活用し、ヒッグス信号の感度を向上させる。
• 4または2つの衝突点を有する5〜10年間にわたり、5–10 ab⁻¹の高統合 luminosity を得ることで統計的精度を達成する。
• 再構成されたヒッグス崩壊モード（不可視崩壊を含む）を用いて絶対的カップリング測定を実施する。
• トップクォーク対生成領域（√s ≈ 340–350 GeV）への延長により、トップユカワカップリングへの感度を向上させる。
• 線幅関数および運動量分布からの精密再構成技術を適用し、ヒッグス幅および三重ヒッグスカップリングを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のe⁺e⁻円形衝突機では、ヒッグスボソンのフェルミオンおよびゲージボソンへのカップリングをどの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 ZH共鳴生成を用いて、ヒッグスボソン幅を1%未塔の精度で測定可能か？
• RQ3 ZHイベントを用いて、不可視または特異なヒッグス分岐比をどの程度まで探査可能か？
• RQ4 これらの衝突機は、三重ヒッグスカップリングおよびトップクォークのユカワカップリングに対してどの程度感度を有するか？
• RQ5 これらの衝突機は、標準模型を超える新しい物理学を発見または制約する可能性をどの程度持つか？

主な発見

• CEPCとFCC-eeは、それぞれ10年および5年間で5 ab⁻¹および10 ab⁻¹の統合 luminosity を得られ、数百万個のヒッグスボソンが生成可能である。
• ZH生成ピーク領域でのフェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグスカップリングの絶対測定が1%未塔の精度で達成可能である。
• ZH閾値における鋭い共鳴構造のおかげで、ヒッグスボソン幅が高精度で測定可能である。
• ZHイベントを用いて、不可視および特異な分岐比を千分率レベルまで探査可能である。
• √s ≈ 340–350 GeV付近のトップクォーク対生成閾値は、トップクォークのユカワカップリングへの感度を顕著に向上させる。
• 精密カップリングおよび幅測定を通じて、スカラー系における新しい物理学効果が多TeVスケールまで感受可能である。