[論文レビュー] Measurement of the Higgs-boson CP properties using decays into WW and ZZ at the Photon Collider

P. Nieżurawski, A. F. Żarnecki+1 more|ArXiv.org|Jul 14, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、TESLA光子衝突型加速器における $\gamma\gamma \to h \to WW/ZZ$ 衰壊を用いてヒッグス粒子のCP性質を測定する方法を検討している。$W^+W^-$ および $ZZ$ 衰壊生成物のインヴァリアント質量分布と角度相関解析を組み合わせることで、1年間の運転後、CP違反カップリングを1–2%の統計的精度で探査可能であることを示しており、標準模型に類似したモデルと2HDM IIおよび一般のCP違反カップリングを含む拡張ヒッグスモデルの区別が可能になる。

ABSTRACT

Higgs-boson production at the Photon Collider at TESLA is studied for masses from 180 to 350 GeV, using realistic luminosity spectra and detector simulation. Parity of the SM Higgs-boson can be verified from the measurement of the interference effects in the W+ W- decay channel and of the angular correlations in the decays of W+ W- and ZZ pairs. SM-like Two Higgs Doublet Model (2HDM II) and model with the generic higgs couplings are considered.

研究の動機と目的

• 光子衝突型加速器を用いた $\gamma\gamma \to h \to WW/ZZ$ 衰壊を通じてヒッグス粒子のCP性質を測定する可能性を評価すること。
• 拡張ヒッグスモデルにおけるCP違反カップリングに、インヴァリアント質量分布および角度相関分布がどのように敏感であるかを特定すること。
• 2HDM IIモデルおよび一般モデルにおける $\tan\beta$、$H$–$A$ 混成角、および一般のCP違反パラメータの測定精度を評価すること。
• 衰壊生成物の角度分布を用いた、モデルに依存しないヒッグスのCPパリティの探査手法を確立すること。
• インヴァリアント質量分布と角度分布の測定を組み合わせることで、カップリングの精度がどの程度向上するかを定量化すること。

提案手法

• Comptonバックスキャッタリングを用いたレーザー光子と電子ビームの相互作用に基づき、TESLA光子衝突型加速器の実際の光度スペクトルおよび検出器シミュレーション（SIMDET v3.01）を用いる。
• PYTHIA 6.152を用いて $\gamma\gamma \to h \to W^+W^-$ および $\gamma\gamma \to h \to ZZ$ の過程のイベント生成を実施し、標準模型のバックグラウンドと干渉を含める。
• 分析のために $W^+W^- \to q\bar{q}q\bar{q}$ および $ZZ \to l^+l^-q\bar{q}$ 終状態（$l = e, \mu$）を分離するための選択カットを適用する。
• $W^+W^-$ および $ZZ$ 対のインヴァリアント質量分布を解析し、$\Gamma_{\gamma\gamma}$ と $\phi_{\gamma\gamma}$ を抽出し、CP感受性を得るために角度相関と組み合わせる。
• インヴァリアント質量分布と角度分布を同時にフィットすることで、一般のCP違反モデルにおけるパラメータ $\lambda_A$ と $\lambda_H$ を制約する。
• 断面積予測に基づき、$ZZ$ と $W^+W^-$ サンプル間の相対正規化を課すが、全体の光度正規化は自由に変化可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $W^+W^-$ および $ZZ$ 衰壊生成物の角度相関を用いることで、生成メカニズムに依存せずにヒッグス粒子のCP性質を決定できるか？
• RQ2 光子衝突型加速器におけるCP違反2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM II）において、$H$–$A$ 混成角の測定精度はどの程度か？
• RQ3 インヴァリアント質量分布と角度分布の測定を組み合わせることで、ヒッグス系におけるCP違反カップリングへの感受性はどの程度向上するか？
• RQ4 拡張ヒッグスモデルにおける $\tan\beta$ および一般のCP違反パラメータ（$\lambda_A$, $\lambda_H$）の測定にどの程度の統計的精度が達成できるか？
• RQ5 $W^+W^-$ 生成における干渉効果が、$h \to \gamma\gamma$ カップリング位相への感受性をどの程度高めるか？

主な発見

• ヒッグス粒子の質量が180–350 GeVの範囲にわたる場合、1年間の光子衝突型加速器運転後、$\gamma\gamma$ 部分幅は3–8%、カップリング位相は30–100 mradの精度で測定可能である。
• 標準模型に類似した2HDM IIモデルでは、1年間のデータ取得後、$\tan\beta$ は約10%の統計的精度で決定可能である。
• CP違反2HDM IIモデルでは、小混合近似下で $H$–$A$ 混成角を20–90 mradの統計的精度で測定可能である。
• 一般のCP違反モデルでは、ベクトルボソンへのCP違反カップリングを記述するパラメータ $\lambda_A$ と $\lambda_H$ は10%の統計的不確実性で決定可能である。
• インヴァリアント質量分布と角度分布の測定を組み合わせることで、ヒッグスカップリングの決定における統計的不確実性が1–2%にまで低下し、感受性が顕著に向上する。
• $W^+W^-$ のインヴァリアント質量分布が $\lambda_A$ の主な制約要因であり、$ZZ$ のインヴァリアント質量分布が $\lambda_H$ の主な制約要因である。それぞれの期待される誤差は約0.01および約0.01–0.02である。