[논문 리뷰] Measurement of the $CP$ properties of Higgs boson interactions with $ au$-leptons with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2956명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 확보한 139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 힉스 보손의 타우 렙톤과의 상호작용에서의 CP 성질을 측정한다. 타우 붕괴 생성물에서 유도된 CP 민감도를 지닌 각도 관측량을 활용하여 CP 혼합 각도 𝜙𝜏를 제약하고, 68% 신뢰수준에서 0° ± 28° 예상값을 가진 9° ± 16°를 도출한다. 순수한 CP-홀드 성질의 가설은 3.4σ에서 배제되며, 이는 표준모형 예측인 CP-짝성 힉스 보손과 일치한다.

ABSTRACT

A study of the charge conjugation and parity ($CP$) properties of the interaction between the Higgs boson and $ au$-leptons is presented. The study is based on a measurement of $CP$-sensitive angular observables defined by the visible decay products of $ au$-lepton decays, where at least one hadronic decay is required. The analysis uses 139 fb$^{-1}$ of proton$-$proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Contributions from $CP$-violating interactions between the Higgs boson and $ au$-leptons are described by a single mixing angle parameter $\phi_{ au}$ in the generalised Yukawa interaction. Without assuming the Standard Model hypothesis for the $H ightarrow au au$ signal strength, the mixing angle $\phi_{ au}$ is measured to be $9^{\circ} \pm 16^{\circ}$, with an expected value of $0^{\circ} \pm 28^{\circ}$ at the 68% confidence level. The pure $CP$-odd hypothesis is disfavoured at a level of 3.4 standard deviations. The results are compatible with the predictions for the Higgs boson in the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 드러낼 수 있는 힉스 보손의 타우 렙톤과의 양자역학적 결합(Yukawa coupling)의 CP 성질을 탐색하기 위함.
• H→𝜏𝜏 결합에서 CP-짝성 및 CP-홀드 성분의 혼합 정도를 수량화하는 데 사용되는 CP 혼합 각도 𝜙𝜏를 측정하기 위함.
• 히iggs 보손이 어떤 CP-홀드 기여도를 보이는지 여부를 테스트하여, 표준모형을 초월한 물리학의 신호를 찾기 위함.
• 히iggs 붕괴에서의 CP 위반 상호작용에 대한 민감도를 추출하기 위해 타우 붕괴 생성물 간의 각도 상관관계를 활용하기 위함.

제안 방법

• 분석은 H→𝜏𝜏 붕괴에서 타우 렙톤의 가시적 붕괴 생성물에 의해 정의된 CP 민감도를 지닌 각도 관측량을 사용한다.
• 서명된 비평면성 각도 𝜑∗CP는 두 타우 렙톤의 붕괴 평면에서 재구성되며, 이는 CP 혼합 각도 𝜙𝜏에 의해 영향을 받는 횡방향 스핀 상관관계에 민감하다.
• 이 방법은 스핀 밀도 행렬 형식과 타우 붕괴 생성물의 운동량에서 유도된 극화계량 벡터를 활용하여 붕괴 평면의 방향을 재구성하는 데 의존한다.
• 미분 붕괴율은 dΓ ∝ 1 − b(E⁺)b(E⁻) (π²/16) cos(𝜑∗CP − 2𝜙𝜏)로 모델링되며, 이는 관측량과 CP 혼합 각도를 연결한다.
• 분석은 두 채널에서 수행된다: 하나의 렙톤 붕괴 채널(𝜏lep𝜏had)과 두 개의 하드론 붕괴 채널(𝜏had𝜏had)이며, √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• CP 혼합 각도는 신호 강도와 배경 기여도가 표준모형 예측에서 자유롭게 허용된 상태에서 𝜑∗CP 분포에 대한 동시 피팅을 통해 추출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H→𝜏𝜏 결합에서 측정된 CP 혼합 각도 𝜙𝜏의 값은 얼마이며, 이는 표준모형 예측인 0°와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 히iggs-타우 양자역학적 결합에 CP-홀드 성분이 존재하는 증거가 있는가? 만약 그렇다면 유의수준은 어느 정도인가?
• RQ3 타우 붕괴 생성물 간의 각도 상관관계는 힉스 보손 영역에서의 CP 위반 상호작용 존재를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 관측된 데이터는 어떤 정도까지 표준모형의 CP-짝성 힉스 보손 가설과 일치하는가?

주요 결과

• CP 혼합 각도 𝜙𝜏는 68% 신뢰수준에서 9° ± 16°로 측정되었으며, 표준모형 예측인 0°와 일치한다.
• 표준모형 가설에 대한 기대 민감도는 68% 신뢰수준에서 0° ± 28°의 구간을 제공하며, 좋은 통계적 능력을 나타낸다.
• 순수한 CP-홀드 성질 가설(𝜙𝜏 = ±90°)은 3.4 표준편차의 유의수준에서 배제된다.
• 결과는 표준모형 예측인 CP-짝성 힉스 보손과 일치하며, H→𝜏𝜏 결합에서 새로운 물리학의 명백한 증거는 없다.
• 분석은 LHC에서 힉스 결합의 CP 위반 효과를 탐색하기 위해 타우 붕괴 각도 관측량을 활용하는 것이 가능함을 보여준다.
• 다양한 붕괴 채널에서의 측정은 일관된 결과를 보이며, 𝜏lep𝜏had 및 𝜏had𝜏had 최종 상태 모두에서 유사한 결과를 도출한다.