[論文レビュー] Bounding the Higgs width at the LHC

John M. Campbell, R. Keith Ellis+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける4レプトン最終状態でのオフシェルHiggsボソン生成を計算するため、MCFM v6.8に精度の高い量子場理論フレームワークを提示する。このフレームワークは、Higgsボソンと連続的（ボックス）図の干渉を考慮している。オフピーク断面積比（m₄ₗ > 130 GeV）がHiggs全幅に敏感であることが示され、理論的予測としてNₐff = 2.78(Γ_H/Γ_H^SM) − 5.95√(Γ_H/Γ_H^SM)が得られ、95%信頼区間における上界としてΓ_H < 22 MeVが得られ、これは5.4倍にスケーリングされたSM値と整合的である。

ABSTRACT

We present results for the Standard model description of the four-lepton production, mediated both by Higgs boson production and by other one-loop standard model processes. The description of four-lepton final states in MCFM v6.8 is reviewed, with special reference to the interference effects that can occur for identical species of leptons. We present results both for interference in the $l^+l^- l^- l^+$ and in the $l^-l^+ ν_l \barν_l$ final state. Prospects for further improvement in the theoretical description of four lepton production are also reviewed.

研究の動機と目的

• 標準模型における4レプトン最終状態の理論的記述、特にオフシェルHiggsボソン生成の改善。
• ℓ⁻ℓ⁺ℓ⁻ℓ⁺およびℓ⁻ℓ⁺νℓν̄ℓ最終状態におけるHiggs媒介図と連続的（ボックス）図の干渉効果の定量的評価。
• オフピーク4レプトンデータからのHiggs全幅測定に及ぼす量子色力学的補正（NLO/NNLO）および理論的不確実性の影響の評価。
• オンピーク／オフピーク断面積比を用いたHiggs全幅の制約を目指す実験的解析に向けた堅牢な理論的入力の提供。

提案手法

• MCFM v6.8における4レプトン最終状態の同一粒子干渉効果の実装。フェーズスペース統合にはPOWHEG-BOX-V2と類似した手法を用いる。
• 参考文献[3]による背景過程gg → ZZ* → 4ℓのコンactな解析的表現の使用。オンピークおよびオフピーク領域の両方で数値的に安定。
• 振幅の二乗|A^(a) + A^(b)|²におけるHiggs図とボックス図の干渉項の組み込み。高エネルギーm₄ₗ領域では破壊的干渉が生じる。
• CMSに類似した実験的カットの適用：pT > 7 GeV、|η| < 2.4、m₄ₗ > 100 GeV、および同一フレーバーや逆フレーバー対のmₗₗ制約。
• 信号および干渉寄与に起因する線形項と平方根項を含む、Γ_H/Γ_H^SMの関数としてのオフピーク断面積の計算。
• K要因による理論的不確実性の評価：信号については既知（K ≈ 2）、背景についてはソフト・コリネント近似および高Higgs質量極限を用いて推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Higgs図とボックス図の干渉は、高エネルギーm₄ₗ領域における4レプトンインvariant質量スペクトルにどのように影響するか？
• RQ2 オンピーク／オフピーク断面積比は、Higgsボソン全幅をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 高次のQCD補正（NLO、NNLO）は、オフピーク4レプトン生成の理論的予測にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 信号と背景プロセス間の相対K要因に10%の理論的不確実性を仮定することはどの程度信頼できるか？
• RQ5 背景プロセスの欠落NLO補正を推定するためのソフト・コリネント近似は、どの運動量領域で厳密に有効か？

主な発見

• m₄ₗ > 130 GeVのオフピーク断面積は、Nₐff = 2.78(Γ_H/Γ_H^SM) − 5.95√(Γ_H/Γ_H^SM)として予測され、負の平方根項は破壊的干渉に起因する。
• 干渉効果により、Higgsのみの断面積は25%、全振幅は14%減少し、Higgs共鳴エネルギー領域でボックス図との破壊的干渉が生じる。
• MCFM v6.8の結果を用いて、CMS共同研究グループは95%信頼区間においてΓ_H < 22 MeVの上界を抽出した。これはSM予測の5.4倍に相当する。
• 信号と背景プロセス間の相対K要因の理論的不確実性は無視できないことが示され、√K = 0.7から1.3の範囲で、上界は4.1から7.1に変動する。
• 背景プロセスのNLO補正を推定するためのソフト・コリネント近似は、m₄₄ > 400 GeV以上でしか厳密には有効ではなく、この領域ではトップクォークループが支配的である。
• 参考文献[15]の議論は、大きな負の干渉があるため、物理的Higgsボソンには厳密には適用されず、10%の理論的誤差仮定に疑問を呈する。