[논문 리뷰] Determination of the Higgs CP property in Hadron Colliders

Akihiro Matsuzaki, Hidekazu Tanaka|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하드론 충돌기에서 힉스 보손의 CP 양자수를 결정하기 위한 모델에 의존하지 않는 세 가지 방법을 제안한다: (1) 벡터 보손 융합를 통한 생성 분석, (2) b-쿼크 붕괴 모드에 대한 CP 선택 규칙 적용, (3) t\bar{t} 최종 상태에서 토프 쿼크 붕괴로부터 유도된 렙톤의 각도 분포 측정. 이 방법들은 넓은 힉스 보손 질량 범위에서 효과적이며, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 20개의 사건만으로도 CP-짝성과 CP-홀드 힉스 보손을 명확히 구분할 수 있다.

ABSTRACT

We propose three ways to determine the CP eigenvalue of the Higgs boson at the hadron collider as follows: 1. We determine the Higgs CP eigenvalue from the production cross section which is affected by the CP eigenvalue of the Higgs boson. 2. We adopt the CP selection rules to determine the Higgs CP eigenvalue. 3. We determine the CP property by the momentum distribution of the decay products of the Higgs boson. Our methods can be applied for a wide range of the Higgs mass.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 모델에 의존하지 않는 방식으로 힉스 보손의 CP 고유값을 결정하기 위해.
• 낮은 질량으로 인해 힉스 보손이 Z, W 또는 토프 쿼크로 붕괴하는 것이 운동역학적으로 금지될 경우 CP 성질을 식별하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 특히 가벼운 힉스 보손을 위한 광범위한 힉스 보손 질량 스펙트럼에 적용 가능한 실험 전략을 제공하기 위해.
• 생산 메커니즘, 붕괴 선택 규칙, 붕괴 입자의 운동량 분포를 이용하여 CP-짝성과 CP-홀드 힉스 보손을 구별하기 위해.

제안 방법

• 벡터 보손 융합 생성을 이용: CP-짝성 힉스 보손은 VV 융합를 통해 생성될 수 있지만, CP-홀드 힉스 보손은 선택 규칙에 의해 금지된다.
• Higgs 보손이 b-쿼크 쌍으로 붕괴하는 데 대한 CP 선택 규칙 적용: CP-짝성 힉스 보손은 B* 메손에서 광자를 방출하지 않는 붕괴 모드를 선호하는 반면, CP-홀드 힉스 보손은 그렇지 않다.
• t\bar{t} 최종 상태에서 토프 쿼크 붕괴로부터 유도된 렙톤의 열린 각도 분포를 측정하여 힉스 보손의 대칭성과 따라서 CP 고유값을 추론한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해 힉스 보손 정지 프레임에서 각도 분포의 D2/D1 비율을 모델링하며, 여기서 CP-짝성의 경우 D2/D1 = 1, CP-홀드의 경우 D2/D1 = -1이다.
• t\bar{t} 및 VV 융합 과정에서 힉스 보손의 진동 질량 재구성 분석을 통해 CP 성질을 구별한다.
• 1년간 LHC 운영 시 10^34 cm^{-2}s^{-1}와 같은 현실적인 루미노시티 조건 하에서 방법의 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 새로운 물리 모델에 의존하지 않고 힉스 보손의 CP 양자수를 결정할 수 있는가?
• RQ2 히iggs 보손이 Z, W 또는 토프 쿼크로 붕괴하는 것이 운동역학적으로 금지될 경우, CP 성질은 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ3 벡터 보손 융합 같은 생산 메커니즘을 이용해 CP-짝성과 CP-홀드 힉스 보손을 구별할 수 있는가?
• RQ4 CP-짝성과 CP-홀드 힉스 보손 간의 b-쿼크 붕괴 모드에서의 선택 규칙은 어떻게 다를까?
• RQ5 t\bar{t} 최종 상태에서 토프 쿼크 붕괴로부터 유도된 렙톤의 각도 분포를 이용해 힉스 보손의 CP 고유값을 결정할 수 있는가?

주요 결과

• 400 GeV의 질량을 가진 힉스 보손에 대해 몬테카를로 시뮬레이션에서 20개의 사건 샘플에서 D2/D1 비율이 1.4 ± 0.7로 측정되었으며, 이는 CP-짝성 힉스 보손과 일치한다.
• 1000 GeV의 질량을 가진 힉스 보손에 대해 20개의 사건 샘플에서 D2/D1 비율이 1.8 ± 1.1로 측정되었으며, 다시 CP-짝성 힉스 보손을 시사한다.
• 벡터 보손 융합 생산 기반 방법은 S-V-V 상호작용이 비제로일 경우 CP-홀드 힉스 보손을 식별할 수 있지만, 2HDM 또는 MSSM에서 β = α 또는 α + π/2일 경우 상호작용이 억제되는 경우 실패한다.
• CP 선택 규칙 방법은 CP-짝성 힉스 보손이 CP-홀드 힉스 보손보다 B* 메손에서 광자를 방출할 가능성이 낮다는 것을 보여주며, 명확한 실험적 서명을 제공한다.
• tanβ = 1.5이고 mA = 400 GeV인 MSSM에서, 10^34 cm^{-2}s^{-1} 루미노시티 조건 하에서 연간 약 10개의 신호 사건(pp → A + t\bar{t})가 기대되며, 절단 후 배경은 10%로 감소한다.
• 이 세 가지 방법은 넓은 힉스 보손 질량 범위에서 CP 고유값을 결정할 수 있으며, CP-짝성 또는 CP-홀드 행동에서의 어떤 이심도도 CP 위반을 시사한다.