[論文レビュー] Single-variable asymmetries for measuring the `Higgs' boson spin and CP properties

Radja Boughezal, T. LeCompte+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、LHCで発見されたヒッグスに類似したボソンのスピンおよびCP量子数を調べるために、4レプトン最終状態におけるレプトン対のインバリアント質量順序に基づく単一変数の非対称性を導入する。下位質量のレプトン対（$M_{34}$）の運動的限界付近での崩壊断片の崩壊速度（$\beta$）に依存するべきべき乗則的依存性を用いて、スピン-0（CP偶性またはCP奇性）とスピン-2の仮説を区別する。初期データでは、特定のスピン-2結合構造がすでに除外されている。

ABSTRACT

We introduce a class of asymmetries sensitive to the spin and CP properties of the new boson discovered by the ATLAS and CMS experiments. These asymmetries can be measured in the four-lepton final state, and are defined by integrating the invariant masses of the lepton pairs over specified ranges. We outline a program of measurements using initial LHC data to determine the quantum numbers and coupling structure, provide analytic expressions for decay widths in several representative models, and discuss what can be determined using the available data. As examples, we show how the combination of ATLAS and CMS data already disfavor certain spin-2 couplings, and discuss how further data will allow for discrimination of a pure CP-odd scalar from a CP-even hypothesis.

研究の動機と目的

• 4レプトン最終状態からのインバリアント質量変数のみを用いて、新しく発見されたヒッグスに類似したボソンのスピンおよびCP量子数を調べるシンプルでモデルに依存しない手法を開発すること。
• 初期LHCデータに適用可能な迅速で解釈可能な分析ツールを提供し、新粒子のスピンおよびCP構造に関する競合仮説を制限すること。
• 限られたデータでも、特に$\beta^5$依存性を示すものとされるスピン-2結合構造をすでに除外できることを示すこと。
• 今後のより感受性の高い解析の基盤を築くため、実験的実装に最適な運動的カットおよび非対称性定義を同定すること。
• 実験共同研究グループがこの手法を早期段階でスピン-0とスピン-2仮説を区別するために採用し、統計が増加した段階でCP奇性状態の区別を準備するよう促すこと。

提案手法

• 高・低非対称性 $\mathcal{A}_{M_{\text{cut}}}$ を、$M_{34} > M_{\text{cut}}$ および $M_{34} < M_{\text{cut}}$ の領域におけるイベント数の差と和の比として定義する。
• 同フラバーのレプトン対のインバリアント質量 $M_{12}$ および $M_{34}$ をそれぞれ高い方および低い方の対として用い、ヒッグス静止系では $M_{34} \leq M_H - M_{12}$ を満たす。
• $M_{34}$分布の運動的上限付近での崩壊挙動に着目し、これはボソンのスピンおよびCP量子数に依存する：CP偶性スピン-0では線形、CP奇性スピン-0では$\beta^3$、スピン-2では$\beta$、$\beta^3$、または$\beta^5$となる。
• 代表的なモデル（例：スピン-2重力子）における微分崩壊幅を導出し、各仮説に対する期待される$M_{34}$形状および非対称性を計算する。
• 非対称性を用いてデータと理論予測を比較し、多変数解析を完全に実施しなくても、不適合なモデルを早期に除外可能にする。
• データ駆動型のプログラムを提案し、$M_{12}$の各ビンごとに$M_{\text{cut}}$を最適化して感度を最大化する。また、ATLASおよびCMSデータをこの手法で統合することを提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン対のインバリアント質量に基づく単一変数の非対称性は、ヒッグスに類似したボソンのスピン-0とスピン-2仮説を区別できるか？
• RQ2 $M_{34}$分布の運動的限界付近での崩壊挙動は、ボソンのCPおよびスピン量子数にどのように依存するか？
• RQ3 初期LHCデータでも、特に$\beta^5$依存性を示すスピン-2結合構造をすでに除外できるか？
• RQ4 統計が増加するに従い、この手法が純粋なCP偶性と純粋なCP奇性スピン-0仮説をどの程度区別できるか？
• RQ5 この非対称性は、より複雑な多変数解析をガイドするのにも使用可能か？また、スピン-0状態におけるCP偶性とCP奇性結合の混合を検出するのにも使えるか？

主な発見

• $M_{34}$分布の運動的限界付近での崩壊挙動は、CP偶性スピン-0では$\beta$、CP奇性スピン-0では$\beta^3$、スピン-2では$\beta$、$\beta^3$、または$\beta^5$に従う。
• 限られたデータでも、非対称性解析により、$\beta^5$依存性を示すスピン-2結合構造が除外される。これはGaoら（2010）の2つの代表的モデルで確認された。
• この手法はバックグラウンドの汚染に対して頑健であり、既存のLHCデータを用いて迅速に実装可能であるため、初期段階でのモデル区別に最適である。
• 非対称性により、モデルに依存しないシンプルな方法でATLASおよびCMSのデータを統合でき、イベントレベル再構成を完全に必要としない。
• より多くのデータが得られれば、スピン-0のCP偶性とCP奇性仮説の区別が可能となり、スピン-0状態におけるCP混合の探査にも拡張可能である。
• この手法により、スピン-2重力子仮説を明確にテストする道筋が得られるが、現在のデータでは$0^{++}$ヒッグスボソンとはまだ区別できない。