[論文レビュー] Measuring the Higgs boson self-coupling at the LHC using ratios of cross sections

Florian Goertz, Andreas Papaefstathiou+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、理論的不確かさを低減するために、14 TeV LHCで二重ヒッグスボソン生成断面積と単一ヒッグスボソン生成断面積の比を分析することにより、ヒッグスボソン三重項自己結合を測定する手法を提案している。3000 fb⁻¹のデータで、自己結合の測定精度が±30%（−20%）に達し、絶対断面積測定の代替手段として強固である。

ABSTRACT

We consider the ratio between the double and single Higgs production cross sections and examine the prospect of measuring the trilinear Higgs self-coupling using this observable. Such a ratio has a reduced theoretical (scale) uncertainty than the double Higgs cross section. We find that with 600/fb, the 14 TeV LHC can constraint the trilinear Higgs self coupling to be positive, and with 3000/fb one could measure it with a +30 % {-20 %}) accuracy.

研究の動機と目的

• 絶対的な二重ヒッグス断面積ではなく、二重対単一ヒッグス生成断面積の比を用いることで、ヒッグスボソン三重項自己結合の理論的不確かさを低減すること。
• 14 TeV LHCにおける600 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の光度で、高精度な三重項ヒッグス自己結合測定の可能性を評価すること。
• トップクォークのヤヌーク結合の不確かさが三重項自己結合の抽出に与える影響を評価し、正確なトップクォーク結合測定の必要性を強調すること。
• 二重ヒッグス生成断面積比分析を通じて、$ b\bar{b}\tau^+\tau^- $、$ b\bar{b}WW $、$ b\bar{b}\gamma\gamma $ の各最終状態の自己結合探査に対する感度を比較すること。
• 断面積比法を用いて、3σの証拠および5σの発見を達成するための光度を特定すること。

提案手法

• 理論的スケール不確かさを最小限に抑えるために、$ C_{HH} = \sigma_{HH} / \sigma_H $（$ \sigma_{HH} $ および $ \sigma_H $ はそれぞれ二重および単一ヒッグスボソン生成断面積）という比を用いる。
• 理論的断面積はMSTW2008 PDFを用いたNLO QCD補正で計算され、三重項結合 $ \lambda $ およびトップクォークヤヌーク結合 $ y_t $ への依存性は有効ラグランジアン $ \mathcal{L}_{\text{eff}} \sim \lambda H^3 + y_t H \bar{t}t $ でモデル化される。
• 信号およびバックグラウンドイベント数はHPAIRを用いて $ \sigma_{HH} $ を推定し、主要な崩壊モード（$ b\bar{b}\tau^+\tau^- $、$ b\bar{b}WW $、$ b\bar{b}\gamma\gamma $）の分支比を用いて観測可能な率を計算する。
• 統計的不確かさはガウス統計を仮定して導出し、信号およびバックグラウンドイベント数から比 $ \delta C_{HH} $ の分数的不確かさを計算する。
• ラティチュードおよびPDF誤差を含む系統的不確かさを考慮し、後者は約5%で推定される。
• 統合光度の関数としてヒッグス対生成の有意性を評価し、チャンネルを四乗平均で統合して発見の到達範囲を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重対単一ヒッグス生成断面積比を用いることで、絶対的二重ヒッグス断面積を用いる場合と比較して理論的不確かさが低減されるか？
• RQ2 14 TeV LHCで600 fb⁻¹および3000 fb⁻¹の統合光度を用いた断面積比法による、三重項ヒッグス自己結合 $ \lambda $ の期待される精度は何か？
• RQ3 トップクォークヤヌーク結合 $ y_t $ の不確かさは、三重項自己結合 $ \lambda $ の抽出にどのように影響するか？また、$ \lambda $ 測定の信頼性を確保するためには $ y_t $ のどの程度の精度が必要か？
• RQ4 二重ヒッグス生成断面積比分析を通じて、$ b\bar{b}\tau^+\tau^- $、$ b\bar{b}WW $、$ b\bar{b}\gamma\gamma $ のどの最終状態が自己結合に対して最も感度が高いか？
• RQ5 14 TeV LHCが断面積比法を用いて、3σの証拠および5σの発見を達成するための光度はどの程度か？

主な発見

• NLOで二重対単一ヒッグス断面積比 $ C_{HH} $ の理論的スケール不確かさは9%にまで低減される（LOでは1.5%）。これは絶対的二重ヒッグス断面積の20–30%と比較して顕著な低減である。
• 600 fb⁻¹のデータで、14 TeV LHCは三重項ヒッグス自己結合が正であることを制限でき、標準模型からの逸脱に感度を持つ。
• 3000 fb⁻¹のデータで、$ b\bar{b}\tau^+\tau^- $、$ b\bar{b}WW $、$ b\bar{b}\gamma\gamma $ チャンネルの単純な組み合わせにより、三重項自己結合に対する測定精度が $ +30\%/-20\% $ に達する。
• $ b\bar{b}\tau^+\tau^- $ チャンネル単体では240 fb⁻¹で3σの証拠、約640 fb⁻¹で5σの発見が可能であり、3つのチャンネルを組み合わせると、それぞれ150 fb⁻¹および390 fb⁻¹に改善される。
• トップクォークヤヌーク結合 $ y_t $ の不確かさは $ \lambda $ 測定に顕著に影響を与える：$ y_t $ に15%の誤差があると、$ \lambda $ の1σ区間は[0.2, 1.1]に広がり、$ y_t = 1.15 $ では[1.1, 2.5]にシフトする。これは強いパラメータのデゲネラシーを示している。
• $ b\bar{b}\gamma\gamma $ チャンネルはクリアなが、誤って識別された光子による主要なバックグラウンドのため、先行研究で考慮されていなかったため、主な分析から除外された。