[논문 리뷰] Distinguishing `Higgs' Spin Hypotheses using gamma gamma and WW* Decays

John Ellis, Ricky Fok외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 새로 발견된 힉스-유사 입자의 스핀-0 및 스핀-2 가설을 구별하기 위해 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 및 $X \to WW^*$ 붕괴에서의 각도 분포를 사용하는 것을 제안한다. 실제 배경을 고려한 PYTHIA 및 Delphes 시뮬레이션을 통해, 2012년 LHC 데이터는 근본적인 가정 하에 약 3σ의 구별 가능성을 제공할 수 있으며, 덜 보수적인 해석을 통해 이는 6σ 이상으로 증가한다. 또한 $WW^*$ 및 $ZZ^*$ 붕괴에서의 카스텔디 시뮬레이션 호환성은 붕괴 비율 비율을 통한 구별 가능성을 제한한다.

ABSTRACT

The new particle X recently discovered by the ATLAS and CMS Collaborations in searches for the Higgs boson has been observed to decay into gamma gamma, ZZ* and WW*, but its spin and parity, J^P, remain a mystery, with J^P = 0^+ and 2^+ being open possibilities. We use PYTHIA and Delphes to simulate an analysis of the angular distribution of gg to X to gamma gamma decays in a full 2012 data set, including realistic background levels. We show that this angular distribution should provide strong discrimination between the possibilities of spin zero and spin two with graviton-like couplings: ~ 3 sigma if a conservative symmetric interpretation of the log-likelihood ratio (LLR) test statistic is used, and ~ 6 sigma if a less conservative asymmetric interpretation is used. The WW and ZZ couplings of the Standard Model Higgs boson and of a 2^+ particle with graviton-like couplings are both expected to exhibit custodial symmetry. We simulate the present ATLAS and CMS search strategies for X to WW* using PYTHIA and Delphes, and show that their efficiencies in the case of a spin-two particle with graviton-like couplings are a factor ~ 1.9 smaller than in the spin-zero case. On the other hand, the ratio of X_{2^+} to WW* and ZZ* branching ratios is larger than that in the 0^+ case by a factor ~ 1.3. We find that the current ATLAS and CMS results for X to WW* and X to ZZ* decays are compatible with custodial symmetry under both the spin-zero and -two hypotheses, and that the data expected to become available during 2012 are unlikely to discriminate significantly between these possibilities.

연구 동기 및 목표

• 최근 발견된 125–126 GeV 입자가 스핀-0 힉스 보손인지, 중력자 유사 결합을 가진 스핀-2 입자인지 확인하는 것.
• 실제 검출기 시뮬레이션을 사용하여 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 붕괴에서의 각도 분포가 스핀 구별 능력에 미치는 영향 평가.
• 다른 스핀 가설 하에서 $X \to WW^*$ 붕괴의 실험적 선택 효율성의 영향 평가.
• $J^P = 0^+$ 및 $2^+$ 가설 하에서 $WW^*$ 및 $ZZ^*$ 붕괴 모드에서의 카스텔디 대칭성과의 호환성 테스트.
• 현재의 검색 전략을 사용하여 2012년 LHC 데이터가 스핀-0 및 스핀-2 가설 간에 유의미하게 구별할 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 실제 검출기 효과와 배경 수준을 고려한 PYTHIA 및 Delphes를 사용하여 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 붕괴 사건을 시뮬레이션.
• $\gamma\gamma$ 최종 상태에서의 광자 각도 분포 분 析을 통해 $J^P = 0^+$와 $2^+$ 가설을 구별.
• 대칭적 및 비대칭적 해석을 모두 사용하여 구별 유의미성을 정량화하기 위해 로그우도비율(LLR) 검정 통계량 적용.
• $0^+$ 및 $2^+$ 가설 하에서 ATLAS 및 CMS의 $X \to WW^*$ 검색 전략을 시뮬레이션하여 탐지 효율성 비교.
• $0^+$ 및 $2^+$ 가설 하에서 $X \to WW^*$와 $X \to ZZ^*$ 붕괴 비율의 비율을 평가하여 카스텔디 대칭성 테스트.
• 30 fb$^{-1}$의 2012년 데이터로 기대되는 통계적 불확실성 추정을 통해 구별 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 gg \to X \to \gamma\gamma$ 붕괴에서 광자의 각도 분포가 $J^P = 0^+$와 $2^+$ 가설 간에 유의미한 구별 가능성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 ATLAS 및 CMS의 현재 $WW^*$ 검색 전략의 탐지 효율성은 $0^+$ 및 $2^+$ 스핀 가설 간에 어떻게 다를까?
• RQ3 $0^+$ 및 $2^+$ 가설 하에서 $X \to WW^*$와 $X \to ZZ^*$ 붕괴 비율의 비율이 카스텔디 대칭성과 호환되는가?
• RQ4 약 30 fb$^{-1}$의 통합 루미너스를 가진 2012년 LHC 데이터로 스핀-0 및 스핀-2 가설 간의 구별 가능성이 어느 정도 이루어질 수 있는가?
• RQ5 현재의 실험적 컷과 배경 수준을 고려할 때, $X \to WW^*$ 붕괴에서의 운동량 상관관계를 사용하여 스핀 할당을 구별할 수 있는가?

주요 결과

• LLR 검정 통계량의 보수적인 대칭적 해석을 사용할 경우, $gg \to X \to \gamma\gamma$ 붕괴에서의 각도 분포는 $J^P = 0^+$와 $2^+$ 가설 간 약 3σ의 구별 가능성을 제공한다.
• LLR의 덜 보수적인 비대칭적 해석을 사용할 경우, 동일한 2012년 데이터 세트에서 구별 유의미성은 6σ 이상으로 증가한다.
• 중력자 유사 결합을 가진 스핀-2 입자에 대해 ATLAS 및 CMS의 $WW^*$ 검색 전략 효율성은 스핀-0 힉스 보손에 비해 약 1.9배 감소한다.
• $X_{2^+} \to WW^*$와 $X_{2^+} \to ZZ^*$ 붕괴 비율의 비율은 $X_{0^+}$ 경우보다 약 1.3배 더 크며, 이는 효율 손실의 일부를 상쇄한다.
• 현재 ATLAS 및 CMS의 $WW^*$ 및 $ZZ^*$ 붕괴율 측정치는 $0^+$ 및 $2^+$ 가설 모두에서 카스텔디 대칭성과 호환되며, 2012년 데이터로는 향상된 결과를 기대할 수 없다.
• 30 fb$^{-1}$의 2012년 데이터로 외삽할 경우, 카스텔디 대칭성에서 1σ 이상의 편차는 거의 발생하지 않을 것이며, 이는 이 채널을 통한 구별 능력을 제한한다.