[論文レビュー] Measurement of the $CP$ properties of Higgs boson interactions with $ au$-leptons with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2956 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCのATLAS検出器で得られた13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹を用いて、ヒッグスボソンとタウレプトンの相互作用のCP性質を測定している。タウ崩壊生成物からのCP感受性のある角度観測量を用い、CP混合角 𝜙𝜏 を制約し、9° ± 16°（68%信頼水準での期待値は0° ± 28°）の結果を得た。また、完全なCP奇性の仮説は3.4σで除外され、これは標準模型の予測であるCP偶性のヒッグスボソンと整合的である。

ABSTRACT

A study of the charge conjugation and parity ($CP$) properties of the interaction between the Higgs boson and $ au$-leptons is presented. The study is based on a measurement of $CP$-sensitive angular observables defined by the visible decay products of $ au$-lepton decays, where at least one hadronic decay is required. The analysis uses 139 fb$^{-1}$ of proton$-$proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Contributions from $CP$-violating interactions between the Higgs boson and $ au$-leptons are described by a single mixing angle parameter $\phi_{ au}$ in the generalised Yukawa interaction. Without assuming the Standard Model hypothesis for the $H ightarrow au au$ signal strength, the mixing angle $\phi_{ au}$ is measured to be $9^{\circ} \pm 16^{\circ}$, with an expected value of $0^{\circ} \pm 28^{\circ}$ at the 68% confidence level. The pure $CP$-odd hypothesis is disfavoured at a level of 3.4 standard deviations. The results are compatible with the predictions for the Higgs boson in the Standard Model.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンのタウレプトンへのヤクバイ・カップリングのCP性質を調べることで、標準模型を超える新しい物理を明らかにすること。
• H→𝜏𝜏カップリングにおけるCP偶性およびCP奇性成分の混合割合を定量化するCP混合角 𝜙𝜏 を測定すること。
• ヒッグスボソンにCP奇性成分が存在するかどうかをテストすること。これは、標準模型を超える物理を示唆する。
• タウ崩壊生成物の角度相関を用いて、ヒッグス崩壊におけるCP破れ相互作用への感度を抽出すること。

提案手法

• 分析は、H→𝜏𝜏崩壊におけるタウレプトンの可視崩壊生成物によって定義されたCP感受性のある角度観測量を用いる。
• 符号付き非平面角 𝜑∗CP は、2つのタウレプトンの崩壊面から再構築され、CP混合角 𝜙𝜏 に影響を受ける横方向スピン相関に敏感である。
• この手法は、スピン密度行列形式と、タウ崩壊生成物の運動量から導かれる極化計測ベクトルに依存し、崩壊面の向きを再構築する。
• 微分的崩壊率は、dΓ ∝ 1 − b(E⁺)b(E⁻) (π²/16) cos(𝜑∗CP − 2𝜙𝜏) としてモデル化され、観測量とCP混合角を結びつける。
• 分析は2つのチャンネルで実施された：1つはレプトン的タウ崩壊（𝜏lep𝜏had）、もう1つはハドロン的タウ崩壊（𝜏had𝜏had）で、√s = 13 TeVの139 fb⁻¹のpp衝突データを用いた。
• CP混合角は、信号強度とバックグラウンド寄与が標準模型の予測から自由に、𝜑∗CP分布への同時フィットによって抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H→𝜏𝜏カップリングにおけるCP混合角 𝜙𝜏 の測定値は何か？ これは標準模型の予測である0°とどのように比較されるか？
• RQ2 ヒッグス-タウヤクバイカップリングにCP奇性成分が存在する証拠はあるか？ もしあるならば、その有意水準は何か？
• RQ3 タウ崩壊生成物の角度相関は、ヒッグス系におけるCP破れ相互作用の存在をどの程度制約するか？
• RQ4 観測されたデータは、CP偶性のヒッグスボソンを仮定する標準模型の仮説とどの程度整合的か？

主な発見

• CP混合角 𝜙𝜏 は68%信頼水準で9° ± 16°と測定され、標準模型の予測である0°と整合的である。
• 標準模型の仮説に対する期待感度は、68%信頼水準で0° ± 28°の区間を示し、良好な統計的パワーを示している。
• 完全なCP奇性の仮説（𝜙𝜏 = ±90°）は3.4標準偏差の有意水準で除外された。
• 結果は、CP偶性のヒッグスボソンを予測する標準模型と整合的であり、H→𝜏𝜏カップリングに新しい物理の顕著な証拠は見つかっていない。
• この分析は、LHCにおいてタウ崩壊の角度観測量を用いてヒッグスカップリングにおけるCP破れ効果を探査する可能性を示した。
• 測定は複数の崩壊チャンネルにわたりロバストであり、𝜏lep𝜏hadおよび𝜏had𝜏had最終状態で一貫した結果が得られた。