[論文レビュー] Prospects to measure the Higgs boson properties in ATLAS

A. Dahlhoff|ArXiv.org|May 11, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるヒッグスボソンの性質を測定するATLASの可能性を評価し、質量、幅、スピン、CP量子数、結合定数、自己結合を対象としている。300 fb⁻¹の統計的データを用いたシミュレーションにより、400 GeV/c²未満では質量の精度が0.1%に達し、結合定数比の測定精度が10–30%に達することを示している。また、アップグレードされたLHCでは、三重ヒッグス自己結合の精度が20%に達する可能性がある。

ABSTRACT

As soon as a significant signal in one of the Higgs boson discovery channels is observed, it will be important to establish its nature. To do this, a precise measurements of its properties is important. In this article the prospects to measure the Higgs boson mass, width, spin and CP-quantum numbers, couplings to the known Standard Model particles and self-couplings by the ATLAS experiment are summarized.

研究の動機と目的

• 発見後のATLASがヒッグスボソンの性質（質量、幅、スピン、CP量子数、結合定数）を測定できる能力を評価すること。
• 特にH→γγ、H→ZZ→4ℓ、H→WWといった崩壊モードの感度を評価し、スピンおよびCP量子数を解明すること。
• 現実的な実験的および理論的不確実性を考慮した場合、標準模型粒子への結合定数比および絶対結合定数の測定精度を特定すること。
• 特にアップグレードされたLHC（SLHC）において、複数ヒッグスボソン生成を用いたヒッグス自己結合（三重項および四重項）の測定可能性を検討すること。

提案手法

• さまざまな質量範囲における複数のヒッグス生成および崩壊モードについて、ATLASのフルシミュレーションを用いた研究。
• 実験的および理論的系arness不確実性を組み込んだ、グローバルな最尤法による測定値の統合。
• H→ZZ→4ℓ崩壊における角度相関分布（極座標角および崩壊面角）を用いて、スピンおよびCP量子数を区別する。
• 低質量領域（mH < 200 GeV/c²）におけるスピン/CP解析のため、ベクトルボソン崩壊過程（qq→qqH→qqWW）を分析する。
• 部分子レベルの計算と検出器シミュレーションの予測を用いて、ヒッグス自己結合への感度をモデル化する。
• 統合光度300 fb⁻¹（LHC）および3000 fb⁻¹（SLHC）における性能を予測し、精度推定のための誤差伝搬を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H→γγおよびH→ZZ→4ℓ崩壊を用いた場合、100–400 GeV/c²の質量範囲でヒッグスボソン質量の測定精度はどの程度期待されるか？
• RQ2 H→ZZ→4ℓにおける角度相関およびベクトルボソン崩壊過程を用いた場合、ATLASはヒッグスボソンのスピンおよびCP量子数をどの程度の精度で特定できるか？
• RQ3 W、Z、トップクォーク、 bottom クォーク、タウレプトンへのヒッグスボソン部分幅および結合定数比の測定精度はどの程度達成可能か？
• RQ4 アップグレードされたLHCにおいて、三重ヒッグス自己結合が十分な感度で測定可能か。20%の精度で測定するにはどの程度の光度が必要か？
• RQ5 結合定数および自己結合測定に影響を与える主要な系統的不確実性は何か。それらは最終的な精度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 300 fb⁻¹の光度とエネルギースケールの知識が0.1%であると仮定した場合、100–400 GeV/c²の質量範囲でヒッグスボソン質量の測定精度が約0.1%に達する。
• 250 GeV/c²を超える質量では、検出器のエネルギー分解能に制限され、ヒッグスボソンの固有幅の測定精度が約6%に達する。
• 250 GeV/c²以上の質量で、H→ZZ→4ℓの角度相関を用いることで、スピンおよびCP量子数が標準模型（0⁺）と8σ以上の有意差で区別可能である。
• 300 fb⁻¹の光度で、W、Z、トップ、ボトム、タウレプトンへの結合定数比は、中程度の理論的仮定のもとで10%～30%の相対不確実性で測定可能である。
• W/Z結合定数の上限と全幅の下限を仮定した場合、絶対結合定数の測定精度は10–40%の相対誤差で達成可能である。
• アップグレードされたLHC（SLHC）で3000 fb⁻¹の光度を想定した場合、150–200 GeV/c²の質量範囲で、三重ヒッグス自己結合（λHHH）の20%精度測定が95%信頼水準で達成可能と予想される。