[論文レビュー] Measurement of Higgs couplings and self-coupling at the ILC

Junping Tian, H. Fujii|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、国際線形加速器（ILC）における段階的運転（250 GeV、500 GeV、1 TeV）と高インテンシティデータを用いて、ヒッグスボソンの結合定数および自己結合定数のモデルに依存しない精度測定戦略を提示する。包括的な反跳質量測定と断面積および分岐比データのグローバルフィッティングを組み合わせることで、ILCは主要な結合定数において1%未満の精度を達成する。特に、1 TeVでの光度アップグレード下でヒッグス自己結合定数の予想される不確かさは1.9%である。

ABSTRACT

In the Standard Model (SM) the couplings of the Higgs boson to SM particles and itself (self-couplings) are uniquely specified once the masses of the particles in question as well as the Higgs boson mass are given. Precision measurements of these couplings in the future collider experiments are the key to either verifying the mechanism of the electroweak symmetry breaking in the SM or uncovering physics beyond the SM. This article gives an overview of how various Higgs couplings will be measured at the ILC. Emphasis is put on the ILC's capability of performing fully model independent determination of absolute $HZZ$ and $HWW$ couplings, the Higgs total width, and hence various other Higgs couplings, which cover essentially all the crucial ones including the top-Yukawa coupling $Htt$ and the trilinear Higgs self-coupling $λ_{HHH}$. The strategy to get the best precision measurements at the ILC is through staged running, which provides many independent $σ imes\mathrm{Br}$ measurements for different production channels and at different energies. A method of global fitting is discussed to utilize all of the available information and to derive combined precisions.

研究の動機と目的

• 標準模型における電弱対称性の spontaneously broken メカニズムを検証するため、ILCでモデルに依存しないヒッグス結合定数および自己結合定数の決定を可能にすること。
• 理論的仮定なしに絶対的結合定数を測定できるようにすることで、LHC測定の限界を克服すること。
• Z、W、トップクォーク、光子、および自己結合への結合に焦点を当て、LHCと補完的となる包括的かつ高精度なヒッグスプログラムを提供すること。
• 1 TeVで二重ヒッグス生成を用いて、ヒッグス自己結合定数を10%未満の精度で測定可能な可能性を示すこと。
• 複数のエネルギーおよび生成モードにおける独立した測定を統合する最適な精度を得るためのグローバルフィッティングフレームワークを確立すること。

提案手法

• ヒッグス生成チャネル（Higgs-strahlung: e⁺e⁻ → ZH、WW融合: e⁺e⁻ → νν̄H、ZZ融合: e⁺e⁻ → e⁺e⁻H）を網羅するため、250 GeV、500 GeV、1 TeVでの段階的運転を実施。
• Z → μ⁺μ⁻ 衰えにおける反跳質量再構成を用いて、e⁺e⁻ → ZH の絶対断面積を測定し、モデルに依存しない gHZZ 結合定数の抽出を可能にする。
• 断面積 × 分岐比の独立した測定を、結合定数とヒッグス全幅をパrameter化したグローバル χ² フィッティングにより統合。
• 理論的係数 Fi を用いて測定断面積と結合定数積との関係を定式化し、gHZZ、gHWW、gHtt、および ΓH を理論的仮定なしに抽出可能にする。
• νν̄HH に対して δλ/λ ≈ 0.76 × (δσ/σ)、ZHH に対して δλ/λ ≈ 1.66 × (δσ/σ) を適用し、二重ヒッグス生成断面積からの自己結合定数精度推定を実施。
• HH → bbb̄b̄ および HH → bbb̄W* 衰えモードにおけるフル検出器シミュレーションを用いて、500 GeVおよび1 TeVでの自己結合定数感度を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、理論的仮定に依存せずに gHZZ や gHWW といったヒッグス結合定数をモデルに依存しない形で測定可能か？
• RQ2 ILCにおける二重ヒッグス生成を用いた場合、ヒッグス自己結合定数 λHHH の測定精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 複数の中心系エネルギーでの段階的運転は、ヒッグス結合定数および全幅のグローバル決定をどの程度向上させるか？
• RQ4 グローバルフィッティング手法は、複数の独立した観測量を統合することで、ヒッグス結合定数測定の不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ5 ILCは、特にトップ＝ユカワ結合およびヒッグス自己結合において、標準模型からのずれをどの程度感度よく検出可能か？

主な発見

• 光度アップグレード下で、500 GeVおよび1 TeVにおける gHZZ 結合定数の測定精度は予想で0.51%に達する。
• 光度アップグレード下で、1 TeVにおける gHWW 結合定数の測定精度は0.56%に達すると予想され、LHCの制約を著しく上回る。
• 光度アップグレード下で、1 TeVにおけるトップ＝ユカワ結合定数 gHtt の測定精度は1.9%に達すると予想され、トップクォークが電弱対称性の spontaneously broken に果たす役割の精密な検証が可能になる。
• 光度アップグレード下で、1 TeVにおけるヒッグス自己結合定数 λHHH の測定精度は13%に達すると予想され、標準模型を超える新しい物理の探査が可能になる。
• 光度アップグレード下で、1 TeVにおけるヒッグス全幅 ΓH の測定精度は2.3%に達すると予想され、結合定数測定の一貫性の確認に不可欠である。
• グローバルフィッティング手法は、エネルギーおよび生成チャネルをまたがる測定を統合し、不確実性を低減し、全10パラメータ（9つの結合定数と ΓH）の完全にモデルに依存しない決定を可能にした。