[논문 리뷰] Probing Higgs couplings at LHC and beyond

Biplob Bhattacherjee, Tanmoy Modak외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 14 TeV LHC에서 황금 채널 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 를 이용하여 힉스 보손 결합의 정밀도 분석을 제안하며, $HZZ$ 결합의 CP 위반 효과와 운동량 의존성에 대해 각도 비대칭을 중심으로 탐색한다. 각도 관측량이 표준모형 힉스, CP-홀드 성분의 혼합, 고차도수 CP-짝성 기여를 구분할 수 있음을 입증하며, 300 fb$^{-1}$ 및 3000 fb$^{-1}$ 루미너시에서 결합 비율과 상대 위상에 대한 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

The study of the Higgs couplings following its discovery is the priority of future LHC runs. A hint of anomalous nature will be exhibited via its coupling to the Standard Model(SM) particles and open up new domain of phenomenological study of physics beyond the Standard Model. The enhanced statistics from next LHC runs will enable entry into the precision era to study the properties of Higgs with greater details. In this paper we present how one can extract Higgs couplings in future LHC runs at 14 TeV via $H ightarrow Z Z^* ightarrow 4 \ell$, using observables constructed from angular distributions for the Standard Model Higgs and Higgs with mixed CP configuration. We show how angular asymmetries can be used to measure the ratios of the couplings and the relative phases at LHC. We benchmark our analysis finding out the angular asymmetries and the best fit values of the ratios of the couplings for SM Higgs, CP-odd admixture, CP-even higher derivative contribution and when CP-even higher derivative contribution and CP-odd admixture are both present. In the Standard Model, $HZZ$ couplings have no momentum dependence. It is thus essential to demonstrate the momentum independence of the couplings to establish the couplings are SM like in nature. In this work we show how one can test the momentum independence of the Standard Model like coupling using angular asymmetries. We develop the necessary tools and demonstrate how to study the momentum dependence can be studied at future LHC runs.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 성격을 반영하는 $HZZ$ 결합의 비의존성 특성을 시험하기 위해, $HZZ$ 정점에서 CP-홀드 및 CP-짝성 비정상 결합에 민감한 각도 비대칭 관측량을 개발한다.
• 표준모형의 성격을 반영하는 $HZZ$ 결합의 운동량 독립성을 시험하기 위한 서식으로서의 기능을 수행한다.
• 각도 분포를 이용하여 표준모형 힉스, CP-홀드 성분 혼합, 고차도수 CP-짝성 기여를 구분한다.
• 고루미너시 LHC에서 각도 비대칭의 카이제곱 분석을 통해 결합 비율과 상대 위상을 결정한다.
• 미래 LHC 런에서 300 fb$^{-1}$ 및 3000 fb$^{-1}$ 루미너시에서 각도 관측량의 민감도를 벤치마킹한다.

제안 방법

• 헤리시티 및 전단성 진폭을 사용하여 $H \to ZZ^* \to (\ell_1^-\ell_1^+)(\ell_2^-\ell_2^+)$ 의 미분 붕괴율에서 각도 비대칭을 구성한다.
• 관측량 $\mathcal{T}_1, \mathcal{T}_2, \mathcal{U}_1, \mathcal{U}_2, \mathcal{V}_1, \mathcal{V}_2$ 의 표현식을 관측량 $q_1^2, q_2^2$ 와 결합 매개변수의 함수로 유도한다.
• 최종 상태 렙톤의 각도 분포를 힉스 정지 프레임에서 기술하기 위해 Wigner D-함수 체계를 활용한다.
• 우도 및 카이제곱 분석을 구현하여 각도 비대칭에서 결합 비율과 상대 위상을 추출한다.
• 네 가지 시나리오에 대해 관측량의 민감도를 벤치마킹한다: 표준모형 힉스, CP-홀드 성분 혼합, CP-짝성 고차도수 기여, 그 조합.
• CP-홀드 성분 혼합에 복소 위상을 포함하여 각도 비대칭을 통한 위상 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각도 비대칭은 $H \to ZZ^* \to 4\ell$ 붕괴 채널에서 순수 표준모형 힉스와 CP-홀드 성분 혼합 힉스를 구분할 수 있는가?
• RQ2 각도 비대칭은 어떻게 $HZZ$ 결합의 운동량 의존성을 탐색하고, 그 표준모형 유사 성격을 시험할 수 있는가?
• RQ3 $HZZ$ 정점에서 고차도수 CP-짝성 기여의 존재에 대해 각도 관측량의 민감도는 어떠한가?
• RQ4 각도 비대칭은 CP-홀드 성분 혼합 힉스 상태의 상대 위상을 해결할 수 있는가?
• RQ5 300 fb$^{-1}$ 및 3000 fb$^{-1}$ 루미너시에서, 표준모형, CP-홀드, CP-짝성, 혼합 CP 시나리오 간에 결합 비율의 최적 적합 값은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 각도 비대칭은 $HZZ$ 결합에서 CP-홀드 성분 혼합을 깔끔하게 탐지할 수 있으며, 표준모형과는 다른 특징적인 신호 패tern을 보인다.
• 분석은 300 fb$^{-1}$ 에서도 CP-홀드 성분 혼합을 탐지할 수 있는 민감도를 확보하며, 3000 fb$^{-1}$ 에서는 더 높은 해상도를 확보한다.
• 관측량을 통한 결합 비율 $\kappa_{\gamma\gamma}/\kappa_{ZZ}$ 는 제약을 받으며, 이의 이격은 새로운 물리학을 시사한다.
• CP-홀드 성분 혼합에 복소 위상의 존재는 특정 각도 비대칭을 통해 측정 가능하며, 이는 위상 재구성 가능성을 제공한다.
• 고루미너시에서 이 방법은 $HZZ$ 정점에서 CP-짝성 고차도수 기여와 CP-홀드 성분 혼합을 성공적으로 구분한다.
• $HZZ$ 결합의 운동량 독립성은 각도 비대칭을 통해 시험되며, 이질적 기여가 없을 경우 표준모형 유사 행동을 확인한다.