[논문 리뷰] Constraints on Higgs boson properties using $WW^{*}( ightarrow e u \mu u )jj$ production in $36.1\,\mathrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV pp collisions with the ATLAS detector

G. Aad, B. Abbott외 2890명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 75인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 실험에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 36.1 fb⁻¹를 사용하여 힉스 보손 성질에 대한 제약 조건을 제시한다. 주로 글루온-글루온 융합 및 벡터보손 융합을 통한 힉스 보손 생성을 중심으로 다루며, 각도 분포와 W 및 Z 보손에 대한 편광 의존성 결합을 통해 힉스-글루온 결합의 CP 성격을 측정한다. 결과는 표준모형과 일치하며, tan(𝛼) = 0.0 ± 0.4 (통계적 오차) ± 0.3 (계측 오차), 그리고 결합 스케일 인자 𝑎L = 0.91⁺⁰.¹⁰₋₀.¹⁸ 및 𝑎T = 1.2 ± 0.4 (통계적 오차) ± 0.2₋₀.³ (계측 오차)를 산출한다.

ABSTRACT

This article presents the results of two studies of Higgs boson properties using the $WW^*( ightarrow e u\mu u)jj$ final state, based on a dataset corresponding to 36.1/fb of $\sqrt{s}$=13 TeV proton-proton collisions recorded by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The first study targets Higgs boson production via gluon-gluon fusion and constrains the CP properties of the effective Higgs-gluon interaction. Using angular distributions and the overall rate, a value of $ an(\alpha) = 0.0 \pm 0.4$ stat. $ \pm \,0.3$ syst is obtained for the tangent of the mixing angle for CP-even and CP-odd contributions. The second study exploits the vector-boson fusion production mechanism to probe the Higgs boson couplings to longitudinally and transversely polarised $W$ and $Z$ bosons in both the production and the decay of the Higgs boson; these couplings have not been directly constrained previously. The polarisation-dependent coupling-strength scale factors are defined as the ratios of the measured polarisation-dependent coupling strengths to those predicted by the Standard Model, and are determined using rate and kinematic information to be $a_L=0.91^{+0.10}_{-0.18}$(stat.)$^{+0.09}_{-0.17}$(syst.) and $a_{T}=1.2 \pm 0.4 $(stat.)$ ^{+0.2}_{-0.3} $(syst.). These coupling strengths are translated into pseudo-observables, resulting in $\kappa_{VV}= 0.91^{+0.10}_{-0.18}$(stat.)$^{+0.09}_{-0.17}$(syst.) and $\epsilon_{VV} =0.13^{+0.28}_{-0.20}$ (stat.)$^{+0.08}_{-0.10}$(syst.). All results are consistent with the Standard Model predictions.

연구 동기 및 목표

• 글루온-글루온 융합 생성에서 효과적인 힉스-글루온 결합의 CP 성격을 각도 분포와 사건 수율 측정을 통해 탐색한다.
• 벡터보손 융합 생성에서 종방향 및 횡방향 편광을 가진 W 및 Z 보손에 대한 힉스 보손의 편광 의존성 결합을 제약한다.
• WW*→eνμνjj 최종 상태에서의 운동량 및 수율 측정을 통해 힉스 보손 결합에서 표준모형과의 편차가 존재하는지 테스트한다.
• 히iggs-글루온 상호작용에서 CP-짝성 및 CP-홀성 기여의 간섭 효과를 통해 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• LHC의 ATLAS 검출기에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 36.1 fb⁻¹를 사용한다.
• CP 민감도 분포를 탐색하기 위해 두 개의 주요 임펄스 제트 사이의 부호가 있는 앙도각 차이 ΔΦjj 를 핵심 운동량 변수로 분석한다.
• 신호와 배경을 분리하기 위해 다변량 분석 기법을 적용한다.
• 수율 및 운동량 분포를 동시에 피팅하여 결합 스케일 인자와 의사관측량을 추출한다.
• 편광 의존성 결합 스케일 인자 𝑎L 과 𝑎T 는 측정된 값과 표준모형 예측값 간의 비율로 정의된다.
• 결합 스케일 인자를 의사관측량 𝜅𝑉𝑉 와 𝜖𝑉𝑉 로 변환하여 표준모형 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CP-짝성 및 CP-홀성 기여 간 간섭을 통해 제약된 효과적인 힉스-글루온 결합의 CP 성격은 무엇인가?
• RQ2 벡터보손 융합 생성에서 종방향 및 횡방향 편광을 가진 W 및 Z 보손에 대한 힉스 보손의 결합은 표준모형 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 히iggs 보손의 글루온 결합에서 CP-홀성 성분이 존재할 수 있으며, 혼합 각도 tan(𝛼) 에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ4 히iggs 보손 생성 및 붕괴에서의 편광 의존성 결합 강도는 무엇이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 측정된 결합 스케일 인자 및 의사관측량은 실험적 오차 범위 내에서 표준모형과 다를까?

주요 결과

• 히iggs-글루온 결합에 대한 CP-짝성 및 CP-홀성 기여의 혼합 각도는 tan(𝛼) = 0.0 ± 0.4 (통계적 오차) ± 0.3 (계측 오차)로 측정되었으며, 이는 CP 보존 상호작용과 일치한다.
• 종방향 편광을 가진 W 보손에 대한 결합 스케일 인자는 𝑎L = 0.91⁺⁰.¹⁰₋₀.¹⁸ (통계적 오차) +⁰.⁰⁹₋₀.¹⁷ (계측 오차)로 측정되었으며, 표준모형 값 1과 일치한다.
• 횡방향 편광을 가진 W 보손에 대한 결합 스케일 인자는 𝑎T = 1.2 ± 0.4 (통계적 오차) +⁰.²₋₀.³ (계측 오차)로 측정되었으며, 역시 표준모형과 일치한다.
• 벡터보손 결합에 대한 의사관측량 𝜅𝑉𝑉 는 0.91⁺⁰.¹⁰₋₀.¹⁸ (통계적 오차) +⁰.⁰⁹₋₀.¹⁷ (계측 오차)로 측정되었으며, 표준모형 예측값 1과 일치한다.
• 의사관측량 𝜖𝑉𝑉 는 0.13⁺⁰.²⁸₋₀.²⁰ (통계적 오차) +⁰.⁰⁸₋₀.¹⁰ (계측 오차)로 측정되었으며, 표준모형에서 예상하는 바와 같이 0과 일치한다.
• 모든 결과는 표준모형 예측과 일치하며, CP 성격이나 편광 의존성 결합에서 새로운 물리 현상에 대한 유의미한 증거는 없었다.