[論文レビュー] On the determination of the structure of the scalar Higgs boson's couplings to vectorbosons

C. P. Buszello, Peter Marquard+1 more|ArXiv.org|Jun 16, 2004

International Science and Diplomacy参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるH → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻崩壊における角度相関の最尤解析を提案し、スカラーHiggsボソンのベクトルボソンへの結合構造を決定する。完全なLO行列要素を用い、すべての崩壊角度相関を含めることで、非標準的結合YおよびPがZZ閾値を超えて高い精度で同時に測定可能であることを示し、300 fb⁻¹の統合放射光強度を用いて150 GeV以上のHiggs質量に対して95%信頼区間の上限が約0.1に達することを示した。

ABSTRACT

In this paper we investigate the determination of the coupling structure of a Higgs boson at the LHC using angular correlations in the decay chain H -> ZZ -> 4l. We consider the most general couplings of a scalar to spin 1 particles and compare the angular correlations of the decay products using a maximum likelihood method. We use the full information from the LO matrix element including all posible correlations between the decay angles. In our analysis we include all possible mixings between the different coupling structures. We conclude that the coupling structure can in general be determined using this approach. But it has to be noted, that for Higgs boson masses below the ZZ-threshold the analysis is statistically limited. For higher Higgs boson masses reasonably strong limits on non standard couplings can be achieved at the LHC using the full integrated luminosity of 300 fb^-1.

研究の動機と目的

• H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻崩壊における角度相関を用いて、スカラーHiggsボソンのベクトルボソンへの完全な結合構造を決定すること。
• 純粋なCP固有状態にとどまらず、混合状態および非CP固有状態の結合を含めた、従来の解析の拡張。
• 非標準模型結合YおよびPのLHCにおける感度を、標準模型結合Xと比較して定量化すること。
• 現実的な検出器シミュレーションおよびバックグラウンドモデル化を用いて、異常結合の現実的な除外限界を確立すること。
• LHCでヒッグスに類似した粒子が発見された後、HZZ結合構造を測定するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• X（SMに類似）、Y（横方向）、P（P-奇、CP-奇）の3つの独立な結合を有する一般化された有効ラグランジアンを用いる。
• すべての角度相関を組み込んだ3重微分断面積dσ/dcosθ₁dcosθ₂dφに対する最尤法を適用する。
• SM結合Xを1に固定し、すべての結合タイプで等価な結合強度を保つために、正規化されたパラメータY' = R_Y·YおよびP' = R_P·Pを測定する。
• 検出器シミュレーション（ATLAS-ATLFAST）とサイドバンド法によるバックグラウンド差し引きを用いて、現実的な信号およびバックグラウンド分布をモデル化する。
• レプトンpT、線形密度、インヴァリアント質量ウィンドウ（m₁₂）、しきい値（m₃₄）に対するカットを、Higgs質量ごとに最適化して信号純度を向上させる。
• 幅等価性を用いた結合強度の正規化：R_P = √(Γ_SM / Γ_P)，R_Y = √(Γ_SM / Γ_Y)，これにより結合の物理的強度が等しくなるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻崩壊における角度相関を用いて、混合状態を含めたHiggsボソンのベクトルボソンへの結合構造を完全に特定できるか？
• RQ2 300 fb⁻¹の統合放射光強度を用いて、LHCは非標準的結合YおよびPを同時にどの程度の精度で測定できるか？
• RQ3 検出器効果およびバックグラウンド寄与は、異常HZZ結合の測定にどのように影響するか？
• RQ4 ZZ閾値の下および上でのLHCの非標準的結合に対する統計的感度はどの程度か？
• RQ5 Y-P平面におけるV字型の除外領域は、混合結合とSM結合Xとの間の退ingly（縮退）をどのように反映しているか？

主な発見

• 非標準的結合YおよびPが存在する場合でも、H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻崩壊における角度相関を用いることで、Higgsボソンのベクトルボソンへの結合構造を決定できる。
• Higgs質量がZZ閾値（≥150 GeV）を超える場合、300 fb⁻¹の放射光強度を用いて、非標準的結合Y'およびP'の95%信頼区間の除外限界が約0.1に達する。
• ZZ閾値未満では、イベント率の低下により統計的制限に陥り、感度が弱くなる。
• Y'-P'平面におけるV字型の除外領域は、YおよびP結合の組み合わせがSM結合Xを模倣するため、縮退が生じるためである。
• 検出器効果およびバックグラウンド歪みは、非標準的結合寄与が小さいため、尤度分布にほとんど影響しない。
• 結果は保守的であり、K要因を含まないLO行列要素に基づいている。高次の補正を組み込むと、感度が約√Kの要因で向上する可能性がある。