[論文レビュー] Probing CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$

Gang Li, Haoran Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、将来の $e^{+}e^{-}$ コライダーにおける $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 反応を通じて、CP 違反 $h\bar{t}t$ 耦合をプローブすることを提案する。$√{s} = 350~\text{GeV}$ および $ξ = 3\pi/5$ の条件下で、標準模型（SM）と比較して断面積が最大6倍に増加する。$ℓ = 10~\text{ab}^{-1}$ の条件下では、350 GeV で信号の有意水準が 5$\sigma$ を上回り、前方-後方非対称性 $A_{FB}$ は 0.5 に達する。背景の影響を受けるが、CP 違反の明確なシグナルが得られる。

ABSTRACT

We investigate the possibility of probing the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in the process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$ at the future high luminosity $e^{+}e^{-}$ colliders. Our numerical results show that the cross section for this process can be significantly increased for the allowed CP phase $\xi$ and center of mass energy. For example the cross section is about 6 times of that in the standard model (SM) for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and $\xi =3\pi/5$ (see text for $\xi$ definition). The simulation for the signal process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma ightarrow b \bar{b}\gamma$ and its backgrounds shows that the signal significance can reach more than $4.8\sigma$ and $2.3\sigma$ for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}, 500~\mathrm{GeV}$ respectively, with the integrated luminosity $\mathcal{L}=3~ ext{ab}^{-1}$ and $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. For $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$, the signal significance can be greater than 5 for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and 3.9 for $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$ with the CP phase $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. Besides the cross section enhancement, the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling will induce the forward-backward asymmetry $A_{FB}$ which is absent in the SM and is a clear signal of new CP violation. Compared with the $A_{FB}$ in the Higgs decay $h ightarrow l^{+}l^{-}\gamma$, the $A_{FB}$ can be greatly enhanced in the production process. For example $A_{FB}$ can reach 0.5 for $\cos\xi\simeq 0.7$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. Due to the large backgrounds, the significance of the expected $A_{FB}$ can only be observed at $1.7\sigma$ with $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. It is essential to trigger the single photon in the final state to separate the bottom jets arising from scalar or vector bosons, in order to isolate the signal from the backgrounds more efficiently.

研究の動機と目的

• 将来の高流量 $e^{+}e^{-}$ コライダーにおける $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 反応を通じた CP 違反 $h\bar{t}t$ 耦合の検出可能性を調査すること。
• 現実的な流量およびエネルギー条件の下で、$h \to b\bar{b}\gamma$ 終状態の信号の有意水準を、主要なバックグラウンドと比較して評価すること。
• 新しい CP 違反を直接探る手段としての前方-後方非対称性 $A_{FB}$ の評価。これは、標準模型のヒッグス崩壊とは異なる。
• 信号とバックグラウンドの分離を向上させるために、特に単一光子タギングを含む最適な運動量的トリガーを特定すること。

提案手法

• 中心エネルギーエネルギー $\sqrt{s}$ および CP 細胞 $\xi$ の関数としての $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 断面積の数値計算。
• $e^{+}e^{-} \to h\gamma \to b\bar{b}\gamma$ の信号過程および主要な QED および QCD バックグラウンドのモンテカルロシミュレーション。
• 前方-後方非対称性 $A_{FB}$ の計算。$A_{FB} = (\sigma_{\text{forward}} - \sigma_{\text{backward}})/(\sigma_{\text{forward}} + \sigma_{\text{backward}})$ で定義される。
• $Z\gamma$、$W^+W^-$、および $q\bar{q}\gamma$ 反応からのバックグラウンド寄与を抑えるために、運動量的カットおよび単一光子トリガーの適用。
• 統計的有意水準の推定に $S/\sqrt{B}$ を用い、統合流量 $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ および $10~\text{ab}^{-1}$ の条件を想定。
• $\cos\xi$ の依存性の分析により、CP 違反効果が最大になる領域の特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CP 違反 $h\bar{t}t$ 耦合の影響により、$e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 反応の断面積は著しく増加するか？
• RQ2 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ および $500~\text{GeV}$ の条件下で、$\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ および $10~\text{ab}^{-1}$ 時に $h \to b\bar{b}\gamma$ の信号有意水準はどの程度達成可能か？
• RQ3 前方-後方非対称性 $A_{FB}$ は、この反応における新しい CP 違反の明確なシグナルとしてどの程度有効か？
• RQ4 単一光子トリガーは、主要な QCD および電弱バックグラウンドから信号を分離するためにどの程度効果的か？
• RQ5 CP 細胞 $\xi$ に対して信号の感度はどの程度か。特に $[\pi/2, 3\pi/5]$ の範囲で評価する。

主な発見

• $√{s} = 350~\text{GeV}$ および $ξ = 3\pi/5$ 時に、$e^{+}e^{-} \to h\gamma$ の断面積は、標準模型（SM）と比較して約6倍に増加する。
• $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 時に、$\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ で信号有意水準が $4.8\sigma$ を上回り、$\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ では $2.3\sigma$ に達する。$\xi \in [\pi/2, 3\pi/5]$ の範囲で同様の結果が得られる。
• $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 時に、$\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ で有意水準が 5$\sigma$ を上回り、$\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ では $3.9\sigma$ に達する。$\xi \in [\pi/2, 3\pi/5]$ の範囲で同様の結果が得られる。
• $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ で $\cos\xi \simeq 0.7$ 時に前方-後方非対称性 $A_{FB}$ は最大 0.5 に達し、これは標準模型には存在しない明確なシグナルである。
• $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 時に $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ で、大きなバックグラウンドにもかかわらず $A_{FB}$ シグナルは $1.7\sigma$ の有意水準で観測可能である。
• 最終状態の単一光子へのトリガーは、バックグラウンド寄与の効果的抑制および信号の分離向上に不可欠である。