[論文レビュー] Constraining the Higgs couplings to up and down quarks using production kinematics at the CERN Large Hadron Collider

Gage Bonner, Heather E. Logan|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける4レプトン崩壊モードでのヒッグスボソンの横運動量（$p_T$）分布を用いて、ヒッグスボソンと上クォーク・ダウンクォークのヤウコフカップリングを制約することを提案する。$p_T$スペクトル内の運動量非対称性を分析することで、競争力のある感度が得られ、3000 fb$^{-1}$の13 TeVデータにおいて95%信頼水準で$-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$および$-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$の制約が得られる。ここで$\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$は、ボトムクォークカップリングに対する相対的カップリングをスケーリングする。

ABSTRACT

We study the prospects for constraining the Higgs boson's couplings to up and down quarks using kinematic distributions in Higgs production at the CERN Large Hadron Collider. We find that the Higgs $p_T$ distribution can be used to constrain these couplings with precision competitive to other proposed techniques. With 3000 fb$^{-1}$ of data at 13 TeV in the four-lepton decay channel, we find $-0.73 \\lesssim \\bar{\\kappa}_u \\lesssim 0.33$ and $-0.88 \\lesssim \\bar{\\kappa}_d \\lesssim 0.32$, where $\\bar{\\kappa}_q = (m_q/m_b) \\kappa_q$ is a scaling factor that modifies the $q$ quark Yukawa coupling relative to the Standard Model bottom quark Yukawa coupling. The sensitivity may be improved by including additional Higgs decay channels.

研究の動機と目的

• LHCにおける運動論的分布を用いて、ヒッグスボソンの軽いクォーク（上およびダウン）へのヤウコフカップリングを制約する新しい手法を開発すること。
• ヒッグスボソンの上クォークおよびダウンクォークへのカップリングが、標準模型の予測から逸脱しているかどうかをテストすること。特に、これらのカップリングは極めて弱く、直接測定が困難であるため。
• 4レプトン最終状態における横運動量（$p_T$）分布を用いて、ヒッグス信号強度のグローバルフィットとは補完的な手法を提供すること。
• $\bar{\kappa}_q$パラメータ（$\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$）の変動に対するこの手法の感度を評価すること。これはボトムクォークカップリングに対する相対的カップリングとして定義される。
• 2光子最終状態などの追加崩壊モードを含めることで、$p_T$に基づく制約手法の感度が向上する可能性を評価すること。

提案手法

• この手法は、ヒッグスボソンの$ h \to 4\ell $崩壊モードにおける横運動量（$p_T$）分布を用いて、上クォークおよびダウンクォークへのヤウコフカップリングの逸脱を調べる。
• 信号モデル間の運動論的差を定量化するために、$A_T = 1 - 2\mathcal{P}$という非対称性を定義する。ここで$\mathcal{P}$は$ p_T < p_T^{\text{cut}} $ を満たすヒッグスボソンの割合である。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、標準模型と$\bar{\kappa}_u$または$\bar{\kappa}_d$が変更されたモデルの両方における$ p_T $スペクトルを比較し、生成および崩壊過程をモデル化する。
• 統計的不確実性は、非対称性の二項分布の分散を用いて推定され、$\sigma^\text{stat}_{A_T} = \sqrt{(1 - A_T^2)/N_{\text{tot}}}$と表される。ここで$N_{\text{tot}}$は全イベント数である。
• 概念実証のため、実験的および理論的系arnessが無視できるものと仮定し、統計的感度に焦点を当てる。
• 3000 fb$^{-1}$の統合されたフルエンス、13 TeVの中心系エネルギーを想定して感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンの横運動量（$p_T$）分布を用いて、上クォークおよびダウンクォークへのヤウコフカップリングを、既存の手法と同等の感度で制約できるか？
• RQ2 $\bar{\kappa}_u$ および $\bar{\kappa}_d$ の逸脱が、4レプトン最終状態におけるヒッグスボソンの $p_T$ スペクトルに与える影響は何か？
• RQ3 3000 fb$^{-1}$の13 TeV LHCデータを用いた場合、$p_T$に基づく手法が $\bar{\kappa}_u$ および $\bar{\kappa}_d$ に対して期待される感度はどの程度か？
• RQ4 標準模型と新物理の振幅の干渉が、特に負の $\bar{\kappa}_q$ 値の場合に感度に与える影響は何か？
• RQ5 2光子最終状態を含めることで、$p_T$に基づく制約手法の感度が向上するか？

主な発見

• 3000 fb$^{-1}$の13 TeVデータを用いた場合、この手法により95%信頼水準で$\bar{\kappa}_u$の範囲が$-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$に制限される。
• ダウンクォークについては、95%信頼水準で$-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$の制約が得られ、$\bar{\kappa}_u$ よりもわずかに感度が高くなる。
• 負の $\bar{\kappa}_q$ 値では、$p_T$ 分布における標準模型と新物理の振幅の破壊的干渉のため、感度が弱くなる。
• $\bar{\kappa}_u = 0.33$ かつ $\bar{\kappa}_d = 0$ の場合、$h \to gg$ の分岐比は標準模型の8.6%から7.3%に減少し、ヒッグス生成の運動論的特性の変化が反映される。
• この手法は、ヒッグス信号強度のグローバルフィットとは直交し、両者を組み合わせることで全体の精度が向上する可能性がある。
• 2光子最終状態を含めることで感度がさらに向上する可能性があり、補足的な研究でもその可能性が示唆されている。