[論文レビュー] Measuring the Higgs boson couplings

Michael Rauch|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、一般化されたヒッグスカップリングを有する弱スケール有効理論への実験的データの投影を用いて、LHCにおけるヒッグスボソンカップリング測定の包括的分析を提示する。$WWH$カップリングが最も良好に制約されている（誤差10–20%）ことが示され、トップクォークおよびループ誘導カップリングは次第に高次元オペレーターの影響を強く受けるため、フィッティングにおけるデゲネラシーが生じ、これを解消するには高出力が必要となる。

ABSTRACT

Once a Higgs boson has been discovered, it is also important to know what are its properties, in particular its couplings to the other particles. At the LHC, there will be many observable channels that can be used to measure the relevant parameters. Using the SFitter framework, we project these measurements onto a weak-scale effective theory with general Higgs boson couplings. Thereby, our analysis profits from the error treatment and the parameter determination tools already used for new-physics searches. We use this to study both the individual couplings and their associated errors as well as correlations between them.

研究の動機と目的

• 14 TeVのLHCにおける30 fb⁻¹の出力でヒッグスボソンカップリング測定の精度を評価すること。
• 統計的、系貫的、理論的誤差（RFit方式）を含む理論的不確実性がカップリング決定に与える影響を評価すること。
• 高次元オペレーターが、特にループ誘導過程におけるヒッグスカップリングの決定に与える影響を調査すること。
• 新しい物理モデル（ヒッグスポータルおよびSILH（MCHM5））におけるフィッティング解のデゲネラシーを研究し、それらがどのような条件下で解消可能かを明らかにすること。

提案手法

• SFitterフレームワークを用いて、ヒッグスカップリングパラメータ空間のフル次元の対数尤度マップを構築する。
• SMカップリングからのずれを$\Delta_{jjH}$でパラメータライズし、ループ誘導カップリングには追加の高次元オペレーター寄与$\Delta_{jjH}^{\text{SM}} + \Delta_{jjH}$を含める。
• ベイズ的手法および頻度主義的手法（周辺化およびプロファイル尤度）を用いて、尤度マップを1次元または2次元分布に縮約する。
• 14 TeV、30 fb⁻¹でのATLASデータをシミュレートし、10,000回のトイ実験にわたって結果をスムージングして誤差分布を抽出する。
• 理論的誤差をRFit方式で扱い、ボックス型の不確実性としてモデル化する。
• SMに類似したカップリングと新しい物理モデル（ヒッグスポータル、MCHM5）の両方を、シミュレートされた測定値にフィットさせ、フィッティングのデゲネラシーを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV、30 fb⁻¹のLHCにおけるヒッグスボソンカップリングの測定精度（ベクトルボソン、フェルミオン、ゲージボソンに対して）はどの程度か？
• RQ2 高次元オペレーターは、特にトップクォークおよびループ誘導過程におけるヒッグスカップリングの決定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ヒッグスポータルやMCHM5のようなモデルでは、同じ観測率に対して複数のフィッティング解が生じる原因は何か？ どのような条件下でそれらは解消可能か？
• RQ4 相関関係および誤差構造（統計的、系貫的、理論的）は、標準模型からのずれに対する感度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 インビジブル decay や修正カップリングを伴う状況下で、標準模型ヒッグスカップリングが95%信頼水準で除外可能か？

主な発見

• $WWH$カップリングは、68%信頼水準での誤差が10%～20%の範囲にあり、最も良好に制約されている。
• ヒッグス質量が約150 GeV付近では$bbH$カップリングの誤差が大きくなる（ブランチング比の低下に起因）、ただし全幅に著しい影響を及ぼす。
• トップクォークヤクファカップリングの誤差は、高次元オペレーターの影響を強く受けており、これは樹形レベルのカップリング変化を相殺する可能性があるため、トップ関連ヒッグス生成がないとデゲネラシーが生じる。
• ヒッグスポータルモデルにおいて$\cos^2\chi_{\text{th}} = 0.6$の場合、全ヒッグス質量範囲でSMカップリング（$\cos^2\chi = 1$）は95%信頼水準で除外される。
• MCHM5モデルでは$\xi \gtrsim 0.4$の領域で複数のフィッティング解が出現し、これは統計的デゲネラシー（真の理論的デゲネラシーではない）を示しており、これを解消するには高出力が必要となる。
• グルーオン融合ヒッグス生成（$H \to \gamma\gamma$）において、各理論的$\xi$値に対して2つの可能なフィット解が得られることが示され、統計的曖昧性が存在することを示しており、これを解消するにはデータ量の増加が必要となる。