[논문 리뷰] New Opportunities in $h o 4\ell$

Yi Chen, Roni Harnik외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 힉스 → 4ℓ 붕괴 채널을 최적화하여 고차원 힉스 결합, 특히 hZγ 및 hγγ에 대한 감도를 향상시키고자 한다. 기존의 이벤트 선택 절차를 완화함으로써 hZγ에 대해 100% 이상, hγγ에 대해 약 40%의 감도 향상을 달성할 수 있음을 보여주며, 이는 Run-II 및 고광도 LHC 데이터를 통해 이러한 결합의 CP 위상에 직접적으로 접근할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

The Higgs decay $h o 4\ell$ has played an important role in discovering the Higgs and measuring its mass thanks to low background and excellent resolution. Current cuts in this channel have been optimized for Higgs discovery via the dominant tree level $ZZ$ contribution arising from electroweak symmetry breaking. Going forward, one of the primary objectives of this sensitive channel will be to probe other Higgs couplings and search for new physics on top of the tree level $ZZ$ `background'. Thanks to interference between these small couplings and the large tree level contribution to $ZZ$, the $h o 4\ell$ decay is uniquely capable of probing the magnitude \emph{and} CP phases of the Higgs couplings to $γγ$ and $Zγ$ as well as, to a lesser extent, $ZZ$ couplings arising from higher dimensional operators. With this in mind we examine how much relaxing current cuts can enhance the sensitivity while also accounting for the dominant non-Higgs continuum $q\bar{q} o4\ell$ background. We find the largest enhancement in sensitivity for the $hZγ$ couplings ($\gtrsim 100\%$) followed by $hγγ$ ($\gtrsim 40\%$) and less so for the higher dimensional $hZZ$ couplings (a few percent). With these enhancements, we show that couplings of order Standard Model values for $hγγ$ may optimistically be probed by end of Run-II at the LHC while for $hZγ$ perhaps towards the end of a high luminosity LHC. Thus an appropriately optimized $h o4\ell$ analysis can complement direct decays of the Higgs to on-shell $γγ$ and $Zγ$ pairs giving a unique opportunity to directly access the CP properties of these couplings.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 비정상적인 힉스 결합을 탐색하기 위해 H→4ℓ 채널을 재평가하며, 특히 hZγ 및 hγγ 결합에 초점을 맞춘다.
• 현재의 절단 조건이 트리 수준의 h→ZZ 붕괴 탐지에 최적화되어 있어 고차원 결합에 대한 감도를 저하시키는 문제를 해결한다.
• 절단 조건을 완화하고 레프톤 쌍의 재가중치를 적용함으로써 hZγ 및 hγγ 결합의 CP 위반 위상에 대한 감도 향상을 평가한다.
• 신호 및 주요 q̄q→4ℓ 배경에 대한 완전 분광적 단면적을 이용한 다차원 매개변수 추출 프레임워크를 제공한다.
• on-shell 붕괴 채널을 통해 접근할 수 없는 h→γγ 및 h→Zγ 결합의 CP 성질을 직접적으로 모델에 종속되지 않게 측정할 수 있도록 한다.

제안 방법

• h→4ℓ 신호 및 주요 q̄q→4ℓ 연속 스펙트럼 배경에 대한 완전한 차원 분광적 단면적의 해석적 표현을 사용한다.
• 간섭 효과를 통해 ZZ, Zγ, γγ 결합을 동시에 탐지하기 위해 다차원 매개변수 추출을 수행한다.
• 특히 Z 및 γγ 공 resonance 근처에서 hZγ 및 hγγ 기여도에 대한 감도가 향상되는 운동역학 영역을 포함하도록 표준 CMS 절단 조건을 완화한다.
• 저질량 영역(M₁₂ ~ 4 GeV)에서 비공진 QCD 배경 및 Z–γ 혼합 효과를 고려하여 신호 대 배경 비율을 향상시킨다.
• 3000 fb⁻¹ 광도에서 통계적 스케일링을 사용하여 감도를 예측하며, 향후 100 TeV 충돌기에서 20,000개의 사건을 가정한다.
• 몬테카를로 유사 시뮬레이션 및 신뢰구간 예측을 사용하여 hZγ 및 hγγ 결합 강도에 대한 1σ 감도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H→4ℓ 채널에서 현재의 절단 조건을 완화함으로써 hZγ 및 hγγ와 같은 고차원 힉스 결합에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 on-shell 힉스 붕괴 채널을 통해 접근할 수 없는 hZγ 및 hγγ 결합의 CP 성질은 H→4ℓ 채널을 통해 얼마나 잘 탐지될 수 있는가?
• RQ3 통합 광도에 따라 hZγ 및 hγγ 결합에 대한 감도는 어떻게 변화하며, Run-II 및 고광도 LHC에서 이러한 결합은 언제 탐지 가능해질 수 있는가?
• RQ4 Z 보손 및 γγ 공진 근처의 운동역학 영역은 이러한 이방성 결합에 대한 감도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 향후 고에너지 하드론 충돌기(예: 100 TeV)는 h→Zγ 및 h→γγ 결합의 CP 위반 위상에 대한 감도를 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• H→4ℓ 채널에서 절단 조건을 완화함으로써 hZγ 결합에 대한 감도가 100% 이상 향상되어, 직접적으로 CP 위상을 탐지할 수 있다.
• 최적화된 절단 조건을 적용함으로써 hγγ 결합에 대한 감도가 약 40% 향상되어, Run-II LHC 종료 시점에는 SM 수준의 결합 강도를 측정할 수 있을 전망이다.
• hZγ 결합에 대해서는 약 2000–5000 fb⁻¹의 통합 광도에서 SM 예측 수준의 감도를 확보할 수 있으며, 이는 고광도 LHC 시점에 달성 가능할 것이다.
• 저질량 영역(M₁₂ ~ 4 GeV)과 Z–γ 혼합 효과를 포함함으로써 감도가 향상되며, 특히 hZγ의 경우 요구 광도를 감소시킬 수 있다.
• 향후 고에너지 하드론 충돌기(예: 100 TeV)에서 20,000개의 사건을 확보할 경우 더욱 높은 감도를 확보할 수 있으며, CP-홀드 결합에서 새로운 물리 현상을 발견할 가능성이 있다.
• H→4ℓ 채널은 on-shell 붕괴 채널이나 간접 방법으로는 도달할 수 없는 h→Zγ 및 h→γγ 결합의 CP 성질을 직접적으로 모델에 종속되지 않게 측정할 수 있는 유일한 방법이다.