[論文レビュー] Probing Higgs couplings at LHC and beyond

Biplob Bhattacherjee, Tanmoy Modak+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、14 TeV LHCにおけるHiggsボソンの結合の精度分析を、ゴールデン崩壊モード $H \to ZZ^* \to 4\ell$ を用いて提案する。CP違反効果および $HZZ$ 結合における運動量依存性を調べるため、角度的非対称性に注目する。角度的観測量が、標準模型のHiggs、CP奇性混合、高次導関数的CP偶性寄与を区別できることを示し、300 fb$^{-1}$ および 3000 fb$^{-1}$ の有効断面積において結合比および相対位相の感度を示す。

ABSTRACT

The study of the Higgs couplings following its discovery is the priority of future LHC runs. A hint of anomalous nature will be exhibited via its coupling to the Standard Model(SM) particles and open up new domain of phenomenological study of physics beyond the Standard Model. The enhanced statistics from next LHC runs will enable entry into the precision era to study the properties of Higgs with greater details. In this paper we present how one can extract Higgs couplings in future LHC runs at 14 TeV via $H ightarrow Z Z^* ightarrow 4 \ell$, using observables constructed from angular distributions for the Standard Model Higgs and Higgs with mixed CP configuration. We show how angular asymmetries can be used to measure the ratios of the couplings and the relative phases at LHC. We benchmark our analysis finding out the angular asymmetries and the best fit values of the ratios of the couplings for SM Higgs, CP-odd admixture, CP-even higher derivative contribution and when CP-even higher derivative contribution and CP-odd admixture are both present. In the Standard Model, $HZZ$ couplings have no momentum dependence. It is thus essential to demonstrate the momentum independence of the couplings to establish the couplings are SM like in nature. In this work we show how one can test the momentum independence of the Standard Model like coupling using angular asymmetries. We develop the necessary tools and demonstrate how to study the momentum dependence can be studied at future LHC runs.

研究の動機と目的

• HZZ頂点におけるCP奇性およびCP偶性の異常結合に感受する角度的非対称性観測量の開発を目的とする。
• HZZ結合の運動量不変性を、標準模型の性質の特徴としてテストすることを目的とする。
• 角度分布を用いて、標準模型Higgs、CP奇性混合、高次導関数的CP偶性寄与を区別することを目的とする。
• 高輝度LHCにおける角度的非対称性のカイ二乗解析を通じて、結合比および相対位相を特定することを目的とする。
• 将来のLHCランにおける300 fb$^{-1}$ および 3000 fb$^{-1}$ の感度をベンチマークすることを目的とする。

提案手法

• ヘリシティおよびトランスバースティアミplitゥードを用いて、$H \to ZZ^* \to (\ell_1^-\ell_1^+)(\ell_2^-\ell_2^+)$ の微分崩壊断面積から角度的非対称性を構築する。
• 観測量 $\mathcal{T}_1, \mathcal{T}_2, \mathcal{U}_1, \mathcal{U}_2, \mathcal{V}_1, \mathcal{V}_2$ の式を、不変質量 $q_1^2, q_2^2$ および結合パラメータの関数として導出する。
• 最終状態レプトンの角度分布を、Higgs静止系においてWigner D関数形式で記述する。
• 尤度およびカイ二乗解析を用いて、角度的非対称性から結合比および相対位相を抽出する。
• 4つのシナリオ（標準模型Higgs、CP奇性混合、CP偶性高次導関数寄与、およびそれらの組み合わせ）における観測量の感度をベンチマークする。
• CP奇性混合に複素位相を含め、角度的非対称性による位相感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Higgsボソンの $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 崩壊モードにおける角度的非対称性は、純粋な標準模型HiggsとCP奇性混合を有するHiggsを区別できるか？
• RQ2 角度的非対称性は、HZZ結合の運動量依存性をどのように探査し、その標準模型的性質をテストできるか？
• RQ3 HZZ頂点における高次導関数的CP偶性寄与の存在に対して、角度的観測量の感度はどの程度か？
• RQ4 角度的非対称性は、CP奇性混合Higgs状態における相対位相を解明できるか？
• RQ5 300 fb$^{-1}$ および 3000 fb$^{-1}$ の有効断面積において、SM、CP奇性、CP偶性、および混合CPシナリオにおける結合比の最適適合値はどのように異なるか？

主な発見

• 角度的非対称性は、HZZ結合におけるCP奇性混合を明確に探査でき、標準模型とは異なる特徴的な信号パターンを示す。
• 本分析では、300 fb$^{-1}$ においてCP奇性混合の検出に感度を示し、3000 fb$^{-1}$ ではさらに解像度が向上する。
• 結合比 $\kappa_{\gamma\gamma}/\kappa_{ZZ}$ は角度的観測量によって制約され、そのずれは新しい物理を示唆する。
• CP奇性混合に複素位相が存在する場合、特定の角度的非対称性を通じてその位相が測定可能であり、位相再構築が可能になる。
• 高輝度条件下で、HZZ頂点におけるCP偶性高次導関数寄与とCP奇性混合を、本手法により明確に区別できる。
• HZZ結合の運動量不変性は、角度的非対称性を用いてテストされ、異常寄与が存在しない場合には標準模型的挙動が確認される。