[論文レビュー] New Opportunities in $h o 4\ell$

Yi Chen, Roni Harnik+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるヒッグス → 4ℓ decay チャネルを最適化することで、特に hZγ および hγγ の高次元ヒッグスカップリングに対する感度を向上させることを提案している。現在のイベント選別カットを緩めることで、hZγ に対しては100%以上の感度向上、hγγ に対しては約40%の向上が可能であり、Run-II および高出力 LHC のデータを用いて、これらのカップリングにおけるCP位相を直接測定可能となる。

ABSTRACT

The Higgs decay $h o 4\ell$ has played an important role in discovering the Higgs and measuring its mass thanks to low background and excellent resolution. Current cuts in this channel have been optimized for Higgs discovery via the dominant tree level $ZZ$ contribution arising from electroweak symmetry breaking. Going forward, one of the primary objectives of this sensitive channel will be to probe other Higgs couplings and search for new physics on top of the tree level $ZZ$ `background'. Thanks to interference between these small couplings and the large tree level contribution to $ZZ$, the $h o 4\ell$ decay is uniquely capable of probing the magnitude \emph{and} CP phases of the Higgs couplings to $γγ$ and $Zγ$ as well as, to a lesser extent, $ZZ$ couplings arising from higher dimensional operators. With this in mind we examine how much relaxing current cuts can enhance the sensitivity while also accounting for the dominant non-Higgs continuum $q\bar{q} o4\ell$ background. We find the largest enhancement in sensitivity for the $hZγ$ couplings ($\gtrsim 100\%$) followed by $hγγ$ ($\gtrsim 40\%$) and less so for the higher dimensional $hZZ$ couplings (a few percent). With these enhancements, we show that couplings of order Standard Model values for $hγγ$ may optimistically be probed by end of Run-II at the LHC while for $hZγ$ perhaps towards the end of a high luminosity LHC. Thus an appropriately optimized $h o4\ell$ analysis can complement direct decays of the Higgs to on-shell $γγ$ and $Zγ$ pairs giving a unique opportunity to directly access the CP properties of these couplings.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える異常なヒッグスカップリングを探索するため、特に hZγ および hγγ カップリングを対象に、H→4ℓ チャネルの再評価を行う。
• 現在のカットが、木図式 h→ZZ によるヒッグス発見を最適化しているが、高次元カップリングに対する感度を低下させているという制限を扱う。
• カットの緩和とレプトンペアリングの再重み付けが、hZγ および hγγ カップリングにおけるCP違反位相の感度にどのように向上するかを評価する。
• 信号および主要な q̄q→4ℓ 背景の完全微分断面積を用いた多次元パrameter抽出のフレームワークを提供する。
• on-shell decay チャネルでは不可能な、h→γγ および h→Zγ カップリングにおけるCP性質の直接的・モデルに依存しない測定を可能にする。

提案手法

• h→4ℓ 信号および主要な q̄q→4ℓ 継続的背景の完全微分断面積の解析的表現を用いる。
• 干渉効果を通じて ZZ、Zγ、γγ へのカップリングを同時に探査する多次元パrameter抽出を実施する。
• hZγ および hγγ 捕捉に高い感度を持つ運動量領域を含めるために、標準的な CMS カットを緩和する。特に Z ボソンおよび γγ 共鳴領域に注目する。
• 低質量領域（M₁₂ ~ 4 GeV）における非共鳴的 QCD 背景および Z–γ 混在効果を考慮し、信号対背景比を向上させる。
• 3000 fb⁻¹ の統合された出力で統計的スケーリングを用いて感度を予測し、将来の 100 TeV コライダーで 20,000 件のイベントを想定する。
• モンテカルロに類似したシミュレーションおよび信頼区間の予測を用いて、hZγ および hγγ カップリング強度の 1σ 感度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H→4ℓ チャネルにおける現在のカットの緩和が、hZγ や hγγ などの高次元ヒッグスカップリングに対する感度を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 on-shell ヒッグス崩壊チャネルでは到達不可能な hZγ および hγγ カップリングのCP性質を、H→4ℓ チャネルはどの程度まで探査可能か？
• RQ3 統合出力に伴う hZγ および hγγ カップリングに対する感度のスケーリングはどのようになるか？また、Run-II および高出力 LHC でこれらのカップリングをいつごろ探査可能になるか？
• RQ4 Z ボソンおよび γγ 共鳴領域近辺の運動量領域が、これらの異常カップリングに対する感度向上に果たす役割は何か？
• RQ5 将来の高エネルギー陽子衝突型コライダー（例：100 TeV）は、h→Zγ および h→γγ カップリングにおけるCP違反位相の感度を著しく向上させ得るか？

主な発見

• H→4ℓ チャネルにおけるカットの緩和により、hZγ カップリングに対する感度が100%以上向上し、CP位相の直接的探査が可能になる。
• 最適化されたカットを用いることで、hγγ カップリングに対する感度が約40%向上し、Run-II LHC の終了時には標準模型スケールのカップリングが測定可能になる可能性がある。
• hZγ カップリングに関しては、2000–5000 fb⁻¹ の統合出力で標準模型の予測と同等の感度が達成可能であり、高出力 LHC で実現される可能性が高い。
• 低質量領域（M₁₂ ~ 4 GeV）および Z–γ 混在効果の組み込みにより、特に hZγ に対して感度が向上し、必要な出力が低減される可能性がある。
• 将来の高エネルギー陽子衝突型コライダー（例：100 TeV）で 20,000 件のイベントを取得すれば、CP奇異カップリングにおける新しい物理の発見に繋がる可能性がより高くなる。
• H→4ℓ チャネルは、on-shell な崩壊チャネルや間接的手法では到達不可能な、h→Zγ および h→γγ カップリングにおけるCP性質の直接的・モデルに依存しない測定を唯一可能にする。