[論文レビュー] Precision Higgs coupling measurements at the LHC through ratios of production cross sections

A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるヒッグス粒子の生成断面積と崩壊分支比の比を用いて、理論的および実験的不確かさを低減したヒッグス結合の測定を提案する。グルーオン凝集モードで特に顕著な共通の系統的誤差や理論的曖昧性を相殺することで、これらの比はパーセントレベルの精度に達し、標準模型およびその先の精度物理学に最適である。

ABSTRACT

Now that the Higgs particle has been observed by the ATLAS and CMS experiments at the LHC, the next endeavour would be to probe its fundamental properties and to measure its couplings to fermions and gauge bosons with the highest possible accuracy. However, the measurements will be limited by significant theoretical uncertainties that affect the production cross section in the main production channels as well as by experimental systematical errors. Following earlier work, we propose in this paper to consider ratios of Higgs production cross sections times decay branching ratios in which most of the theoretical uncertainties and some systematical errors, such as the ones due to the luminosity measurement and the Higgs decay branching fractions, cancel out. The couplings of the Higgs particle could be then probed in a way that will be mostly limited by the statistical accuracy achievable at the LHC and accuracies at the percent level are foreseen for some of the ratios at the end of the LHC run. At the theoretical level, these ratios are also interesting as they do not involve the ambiguities that affect the Higgs total decay width in new physics scenarios. To illustrate how these ratios can be used to determine the Higgs couplings, we perform a rough analysis of the recent ATLAS and CMS data which shows that there is presently no significant deviation from the Standard Model expectation.

研究の動機と目的

• LHCにおける14 TeVでのヒッグス結合測定の理論的および実験的不確かさを低減すること。
• 新しい物理のシナリオにおいてヒッグス全崩壊幅および分支比の曖昧性に依存しないこと。
• ヒッグス生成および崩壊チャネルの冗長性を活用し、モデルに依存しない観測量を構築すること。
• 統計的不確かさのみに制限された高精度な結合測定を可能にすること、理論的または光度測定の誤差に依存しないこと。
• インクルーシブ断面積測定の補完的手段として、ベクトルボソン崩壊（VBF）および関連生成モードに焦点を当てる。

提案手法

• 異なる崩壊モード（例：$D_{\gamma\gamma} = \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to \gamma\gamma) / \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to WW^*)$）におけるヒッグス生成断面積と分支比の比を構築する。
• グルーオン凝集の汚染が最小限に抑えた生成モード（例：$jjH \to \gamma\gamma$）を用いて、VBF支配のイベントを分離する。
• $C_{gg}^{-1} = \hat{\mu}_{\gamma\gamma jj} / \hat{\mu}_{\gamma\gamma}$ のような比を形成し、光度および分支比の不確かさを相殺する。
• ATLASおよびCMSのデータにこれらの比を適用し、全幅および$gg \to H$断面積の不確かさに依存しない結合修正因子を抽出する。
• 理論的推定値（±20%）を用いて、$C_{gg}^{-1}$ 型比における系統的誤差の下限を設定する。
• 統計的誤差が支配的になると仮定し、$\sqrt{s} = 14$ TeVにおける300 fb⁻¹の統合光度を想定して、将来的な精度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス生成断面積と分支比の比は、ヒッグス結合測定における理論的および実験的不確かさを低減できるか？
• RQ2 これらの比は、インクルーシブ断面積測定に共通する光度および分支比の不確かさをどの程度相殺できるか？
• RQ3 グルーオンからヒッグス生成（$gg \to H$）における理論的不確かさは、結合決定にどの程度影響を及ぼし、比に基づく観測量によって緩和可能か？
• RQ4 VBFチャネルは、支配的グルーオン凝集チャネルに依存せずに高精度な結合測定を可能にするか？
• RQ5 300 fb⁻¹のデータを用いたLHCランの終了時点で、結合比のどの程度の精度が達成可能か？

主な発見

• $D_{\gamma\gamma}$ や $D_{\tau\tau}^{(jj)}$ のような比は、統計的不確かさに制限され、LHCランの終了時点で5%の精度に達することが期待される。
• $C_{gg}^{-1} = c_V^2 / c_g^2 = 1.5 \times [1 \pm 0.57 \pm 0.4]$ はATLASデータから得られ、標準模型と整合的であり、40%の理論的不確かさが支配的である。
• 大規模なデータサンプルであっても、$gg \to H$断面積における理論的不確かさ（±20%）は、$C_{gg}^{-1}$ 型比における主要な系統的誤差のまま残る。
• VBFトポロジーにおける$\gamma\gamma$チャネル（$\hat{\mu}_{\gamma\gamma jj}$）は、$gg \to Hjj$ の汚染により大きな理論的不確かさ（±50%）を示し、単独での使用は制限される。
• $D_{\gamma\gamma}$ と $C_{gg}^{-1}$ を組み合わせることで、モデル依存性が低減された $c_V^2 / c_g^2$ の一貫した決定が可能になる。
• $\sqrt{s} = 14$ TeVにおける300 fb⁻¹のデータを用いれば、一部の比は統計的精度が1%未満に達し、比観測量を用いることでLHCが精度ヒッグス加速器となる。