[論文レビュー] Studying the Higgs Potential at the e+e- Linear Collider

M. Battaglia, Eduard Boos+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、将来の $e^+e^-$ 直線衝突機において、$e^+e^- \to HHZ$ および $HH\nu\bar{\nu}$ の過程を用いてヒッグスボソン三重自己結合定数 $g_{HHH}$ を測定する可能性を調査している。運動量およびスピン依存変数を用いてバックグラウンドの希釈を低減する手法を採用した。3 TeVの衝突機で5 ab$^{-1}$の全ラティチュードを有する場合、$g_{HHH}$ に対する精度が7%に達し、直線衝突機がヒッグスポテンシャルの形状を独自かつ高精度に探査できることが示された。

ABSTRACT

The determination of the shape of the Higgs potential is needed to complete the investigation of the Higgs profile and to obtain a direct experimental proof of the mechanism of electro-weak symmetry breaking. This can be achieved, at a linear collider, by determining the Higgs triple self-coupling g_HHH in the processes e+e--> HHZ and HHnunu and, possibly, the quartic coupling. This paper summarises the results of a study of the expected accuracies on the determination of g_HHH at a TeV-class LC and at a multi-TeV LC. The statistical dilution arising from contributions not sensitive to the triple Higgs vertex, can be reduced by means of variables sensitive to the kinematics and the spin properties of the reactions.

研究の動機と目的

• 電弱対称性の spontaneously broken の直接的検証として、ヒッグスポテンシャルの形状を特定すること。
• ヒッグス三重自己結合定数 $g_{HHH}$ に対する $e^+e^-$ 直線衝突機の感度を評価すること。
• 運動量およびスピン変数を用いて、三重頂点でない図からの統計的希釈を低減すること。
• テルナクラスのLCとマルチテルナクラスのLCの間で、$g_{HHH}$ 探査性能を比較すること。

提案手法

• 変数 $g_{HHH}$ と $M_H$ を用いた部分子レベルのイベント生成に CompHEP を使用し、Pythia 6 を用いて部分子シャワリングを実行した。
• Simdet を用いた検出器シミュレーションにより、$b\bar{b}$ および $W^+W^-$ に崩壊する $HH\nu\bar{\nu}$ 終状態を再構築した。
• $HH$ のインバリアント質量 $M_{HH}$ と $HH$ 静止系におけるヒッグス崩壊角 $\theta^*$ を用いて、信号とバックグラウンドを区別した。
• イベント数および正規化された $M_{HH}$ と $|\cos\theta^*|$ 分布に対する尤度推定を実行し、$g_{HHH}$ を抽出した。
• $HH\nu\bar{\nu}$ チャネルのバックグラウンド過程をシミュレートし、分析に組み込んだ。
• $\sqrt{s}$ = 0.5, 0.8 TeV（テルナクラス）および3 TeV（マルチテルナクラス）での性能を評価し、1 ab$^{-1}$ および 5 ab$^{-1}$ の全ラティチュードを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $e^+e^-$ 直線衝突機で、標準模型の予測を検証可能な十分な精度でヒッグス三重自己結合定数 $g_{HHH}$ を測定できるか？
• RQ2 運動量変数 $M_{HH}$ および $|\cos\theta^*|$ は、三重頂点でない図からの希釈低減にどの程度有効か？
• RQ3 異なるセンター・オブ・マスエネルギーにおいて、$HHZ$ と $HH\nu\bar{\nu}$ の過程の感度を比較するとどうなるか？
• RQ4 ビームの偏光を用いることで、$g_{HHH}$ の決定精度がさらに向上するか？
• RQ5 現在の衝突機設定で四次ヒッグス結合定数は測定可能か？

主な発見

• 3 TeVの $e^+e^-$ 衝突機で5 ab$^{-1}$ の全ラティチュードを持つ場合、$HH\nu\bar{\nu}$ チャネルは、断面積および $|\cos\theta^*|$ の形状情報の両方を用いて、$g_{HHH}$ に対して相対精度 $\pm 0.070$ を達成した。
• $M_H = 120$ GeV の場合、3 TeVで5 ab$^{-1}$ の $HH\nu\bar{\nu}$ チャネルは、$g_{HHH}$ に対して $\pm 0.070$（統計的）の精度を達成した。これは、断面積のみを用いた結果の $\pm 0.094$ よりも優れている。
• $\sqrt{s}$ = 0.8 TeV、1 ab$^{-1}$ の $HHZ$ チャネルでは、$g_{HHH}$ に対して $\pm 0.29$（統計的）の精度を達成した。$M_{HH}$ 擬合により、不確実性は $\pm 0.35$ から低下した。
• $HH\nu\bar{\nu}$ チャネルの断面積は $HHZ$ より約7倍大きく、高エネルギー域ではより好ましい。
• $HH\nu\bar{\nu}$ の断面積は10 TeVでは抑制され、$\sqrt{s}$ = 10 TeV、$M_H = 120$ GeV の場合、年間約5イベントにまで減少する。
• 四次ヒッグス結合定数は、断面積が極めて小さく、非信号図からの希釈が著しく大きいことから、現在の衝突機設定では測定不可能である。