[論文レビュー] The Higgs boson and the physics of $WW$ scattering before and after Higgs discovery

M. Szleper|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるヒッグス粒子の発見前後において、ヒッグス粒子と電弱対称性の spontaneously broken に関するベクトルボソン散乱（VBS）の包括的レビューを提供する。特に、同電荷 $WW$ 散乱が新物理に敏感であることを評価し、スピン分析と将来の HL-LHC および FCC における可能性に焦点を当てる。ここでの精度向上により、異常な四次ゲージ結合や新しい共鳴状態が明らかになる可能性がある。

ABSTRACT

This work presents a comprehensive overview of the physics of vector boson scattering (VBS) in the dawn of Run 2 of the Large Hadron Collider (LHC). Recalled here are some of its most basic physics principles, the historical relation between vector boson scattering and the Higgs boson, then discussed is the physics of VBS processes after Higgs discovery, and the prospects for future VBS measurements at the LHC and beyond. This monograph reviews the work of many people, including previously published theoretical work as well as experimental results, but also contains a portion of original simulation-based studies that have not been published before.

研究の動機と目的

• ヒッグス粒子発見後の電弱対称性の spontaneously broken のメカニズムと、標準模型（SM）を超える新物理（BSM）を調べるための $WW$ 散乱の役割を評価すること。
• LHC における $WW$ 散乱測定が、異常な三重および四重ゲージ結合にどれほど感受性を持っているかを評価し、特に将来の高インテグレーテッド光度および高エネルギー運転の文脈での可能性を検討すること。
• 特にベクトルボソンのスピン分解を含む、新物理の感受性を高める新しい解析手法の推進を提唱すること。
• ハイ・リューミニリティ LHC および将来の円形衝突型加速器（FCC）が、ヒッグス系における新物理とゲージ系における新物理をどのように区別できるかを検討すること。
• ヒッグス粒子の結合定数、二ボソン生成、および $VV$ 散乱測定の整合性チェックを統合し、標準模型の閉じたテスト（closure test）を確立すること。

提案手法

• $WW$ 散乱過程の記述を簡略化するために、有効 $W$ 近似と等価定理を用いる。
• $WW$ 散乱における $VV$ 最終状態をモデル化するための「生成 × 衰え」近似を適用し、主にレプトン的および半レプトン的崩壊チャネルに注目する。
• 実験的感受性を評価するために、$WW$ 散乱過程のシミュレーションベースの研究を実施し、不可逆的および還元可能な背景を含む。
• $t\bar{t}$、$W$+ジェット、QCD 多ジェット、$WZ/ZZ$ などの主要な背景をモデル化し、実験的解析で $WW$ シグナルを分離する。
• 特に $W^\pm W^\pm$ 最終状態において、縦偏光と横偏光のベクトルボソンの寄与を分離するためのスピンに基づく解析手法を提案する。
• 将来の加速器（HL-LHC および FCC）が、$WW$ 散乱、ヒッグス結合、異常ゲージ結合の高精度測定を通じて、BSM 物理をどのように探査できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして $WW$ 散乱過程を用いて、電弱対称性の spontaneously broken のメカニズムを調べ、標準模型を超えるヒッグス系の検証が可能になるか？
• RQ2 LHC における $WW$ 散乱測定が、異常な四重ゲージ結合にどれほど感受性を持っているか。また、高度な解析手法により、その感受性をどのように向上できるか？
• RQ3 $WW$ 散乱だけでは、ヒッグス系における新物理とゲージ系における新物理をどの程度明確に区別できるか？
• RQ4 将来の加速器のアップグレード（HL-LHC および FCC）は、$VV$ 散乱過程における BSM 物理の探査範囲をどのように拡大するか？
• RQ5 ヒッグス粒子の結合定数、二ボソン生成、$VV$ 散乱測定の整合性チェックは、標準模型の閉じたテスト（closure test）を提供できるか？

主な発見

• 直接的な共鳴シグナルがない状況では、純レプトン的崩壊を伴う同電荷 $W^\pm W^\pm$ 最終状態の $WW$ 散乱が、新物理に対する最も高い独立した感受性を示す。
• 13 TeV の中心系エネルギーで 300 fb⁻¹ のデータ量を想定すると、LHC は $WW$ 散乱の標準模型測定を実施できるが、独立した BSM 感受性はハイ・リューミニリティ LHC 階段でのみ現れる。
• 特に縦偏光 $V_L V_L$ 状態に影響を与える BSM 効果の感受性を高めるには、タギングジェットの低横運動量および大きな動真性（pseudorapidity）領域が最も有効である。
• $VV$ 状態のスピン分析は、観測された過剰な信号がヒッグス系の新物理かゲージ系の新物理由来かを区別するために不可欠である。
• 100 TeV の中心系エネルギーを持つ FCC は、$VV$ 散乱における多様な BSM 効果を観測可能であり、複数の測定結果の整合性チェックを通じて物理的起源を特定できる可能性を有する。
• FCC におけるヒッグス結合定数、二ボソン生成、$VV$ 散乱測定の整合性は、標準模型またはその置き換えとなる新しい理論に対する最も厳密なテストを提供する。