[論文レビュー] Use of $Z$ polarization in $e^+e^- o ZH$ to measure the triple-Higgs coupling

K. Rao, Saurabh D. Rindani+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、将来の $e^+e^-$ コライダーにおいて、$e^+e^- \to ZH$ の過程における極化 Z ボソンの崩壊から生じる荷電レプトンの方位角的偏りを用いて、樹形レベルの ZZH カップリングに依存せず、ループ生成の異常な三重ヒッグスカップリングを分離・測定する手法を提案する。この手法は、時間反転に奇性を示す偏りを用い、アムプリチュードの虚数部（吸収的成分）にのみ敏感であり、直接的にループレベルのヒッグス自己カップリング効果にアクセス可能である。500 GeV で 30 fb$^{-1}$ の統合断面積および $e^-$ と $e^+$ のビーム極化をそれぞれ $-80\%$ と $+30\%$ とすると、$κ \lesssim 2.40$ の制限が達成可能である。

ABSTRACT

It is shown that a certain angular asymmetry of charged leptons produced in the decay of $Z$ in the process $e^+e^- o ZH$, related to a tensor polarization component of the $Z$, can be used to constrain the anomalous triple-Higgs coupling, independent of the other anomalous couplings like the $ZZH$ coupling which dominate at tree level. This is because the angular asymmetry is odd under na\" ive time reversal, and hence dependent on loop-level contributions. At a future $e^+e^-$ collider like the International Linear Collider (ILC), for example, a limit of about $3.4$ might be placed on the ratio of the actual triple Higgs coupling to that predicted in the standard model for a centre-of-mass energy of 500 GeV and an integrated luminosity of 30 fb$^{-1}$ with electron and positron beams having longitudinal polarization of $-80\%$ and $+30\%$, respectively.

研究の動機と目的

• $e^+e^- \to ZH$ の過程において、支配的である樹形レベルの ZZH 異常カップリングから、ループ生成の三重ヒッグスカップリングの寄与を分離すること。
• 時間反転に奇性を示すアムプリチュードの虚数部（吸収的成分）にのみ敏感な手法を開発すること。
• 樹形レベルの ZZH カップリングの知識が事前にない状況でも、モデルに依存しない方法で異常三重ヒッグスカップリング $κ$ の制約を可能にすること。
• 将来の $e^+e^-$ コライダー（ILC、CEPC、FCC-ee など）における実際のビーム極化と光度条件のもとで、この手法の感度を評価すること。

提案手法

• Z ボソンの崩壊レプトンにおける時間反転に奇性を示す角度偏り $A_{yz}$ を用い、Z のテンソル極化成分 $T_{yz}$ から導出する。
• 文献[6]の形式的フレームワークを用い、Z のテンソル極化とZの静止系における荷電レプトンの方位角分布の関係を定式化する。
• 偏り $A_{yz}$ は、散乱アムプリチュードの虚数部（吸収的成分）に比例しており、これはループ生成の寄与に起因する。
• この手法は、三重ヒッグスカップリングの寄与が支配的な未知のループ振幅であるのに対し、他のカップリング（例：トップ＝ヒッグスカップリング）は既知であると仮定することで、三重ヒッグスカップリングの寄与を分離可能である。
• ILC で計画されているように、$e^-$ に $-80\%$、$e^+$ に $+30\%$ の縦極化を仮定し、さまざまなコライダー加速エネルギーと光度について数値的シミュレーションを実施する。
• アシンメトリー $A_{yz}$ を用いて、$\kappa$ の標準模型（SM）値からの分数的ずれの $1\sigma$ 限界を評価することで、$\kappa$ に対する感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転に奇性を示す $e^+e^- \to ZH$ の角度偏りを用いることで、三重ヒッグスカップリングのループ生成寄与を分離できるか？
• RQ2 提案された偏り $A_{yz}$ は、断面積を支配する樹形レベルの異常 ZZH カップリングに依存しないか？
• RQ3 実際のビーム極化と光度条件のもとで、将来の $e^+e^-$ コライダーにおけるこの手法の異常三重ヒッグスカップリング $\kappa$ に対する感度はどの程度か？
• RQ4 非極化ビームと比較して、ビーム極化が $\kappa$ に対する感度をどの程度向上させるか？
• RQ5 樹形レベルの ZZH カップリングが未知または標準模型外の場合でも、この手法が $\kappa$ に制約を与えることができるか？

主な発見

• 中心系エネルギー 500 GeV、統合光度 30 fb$^{-1}$ の条件下で、この手法は樹形レベルの ZZH 残余に依存せず、$\kappa \lesssim 2.40$ の $1\sigma$ 制限を達成する。
• $e^-$ に $-80\%$、$e^+$ に $+30\%$ の縦極化ビームを用いることで、非極化ビームと比較して感度が 4〜5 倍向上する。
• 同じ条件下で、$\kappa = 1$ の場合、アシンメトリー $A_{yz}$ は $-4.00$ に測定され、30 fb$^{-1}$ の $1\sigma$ 不確かさは $1.15$ である。
• 樹形レベルカップリングが既知の場合、断面積ベースの測定に比べて感度は著しく低いが、これらのカップリングが未知の場合に大きな利点を示す。
• $\sqrt{s} = 500$ GeV で $L = 10$ fb$^{-1}$ の場合、制限は $\kappa \lesssim 4.16$ に改善され、高い光度が必要であることが示された。
• アシンメトリー $A_{yz}$ は、単純な時間反転に対して奇性を示し、アムプリチュードの吸収的成分に比例することが判明した。これにより、ループ生成の物理（三重ヒッグスカップリングを含む）にのみ敏感であることが保証される。