[論文レビュー] Higgs Physics at the HL-LHC and HE-LHC

M. Cepeda, Stefania Gori+375 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 358

ひとこと要約

本論文は、高輝度・高エネルギーLHCがヒッグスボソン物理学をどのように前進させるかを評価し、有効場理論と直接探索を用いて結合定数の精密測定、エキゾチックな崩壊、新しい物理学の探査に焦点を当てる。2%の精度でttH結合定数を測定可能であり、1 TeVの中心系エネルギーで10%の測定が可能で、ヒッグス質量における千分の1の精度に相当し、100 TeVまでの新しい物理学スケールに感度を持つことが可能となる。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson in 2012, by the ATLAS and CMS experiments, was a success achieved with only a percent of the entire dataset foreseen for the LHC. It opened a landscape of possibilities in the study of Higgs boson properties, Electroweak Symmetry breaking and the Standard Model in general, as well as new avenues in probing new physics beyond the Standard Model. Six years after the discovery, with a conspicuously larger dataset collected during LHC Run 2 at a 13 TeV centre-of-mass energy, the theory and experimental particle physics communities have started a meticulous exploration of the potential for precision measurements of its properties. This includes studies of Higgs boson production and decays processes, the search for rare decays and production modes, high energy observables, and searches for an extended electroweak symmetry breaking sector. This report summarises the potential reach and opportunities in Higgs physics during the High Luminosity phase of the LHC, with an expected dataset of pp collisions at 14 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 3~ab$^{-1}$. These studies are performed in light of the most recent analyses from LHC collaborations and the latest theoretical developments. The potential of an LHC upgrade, colliding protons at a centre-of-mass energy of 27 TeV and producing a dataset corresponding to an integrated luminosity of 15~ab$^{-1}$, is also discussed.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンの結合定数、特にトップクォークおよびベクトルボソンへの結合定数の精密測定に対するHL-LHCおよびHE-LHCの感度を評価すること。
• ダークフォトンやaxion-like粒子のような軽いBSM粒子への崩壊を含む、希少でエキゾチックなヒッグス崩壊の発見可能性を評価すること。
• ヒッグスボソンおよびベクトルボソン散乱を含む高エネルギー散乱過程を通じて、HE-LHCが新しい物理学をどの程度探査できるかを定量化すること。
• 中心系エネルギーと光度の増加が、有効場理論のオペレーターおよび新しい物理学スケールの感度に与える影響を検討すること。
• ヒッグス結合比の測定改善および偏光付きベクトルボソン散乱成分の抽出についての予測を行うこと。

提案手法

• 高次元オペレーターを用いた有効場理論（EFT）を用い、ヒッグス結合定数および振幅への新しい物理学の効果を体系的にパラメータライズする。
• 高エネルギーでのヒッグス、Drell-Yan、および二ボソン観測量のグローバルフィットを実施し、ウィルスン係数を制約し、新しい物理学スケールへの感度を抽出する。
• 高度なシミュレーションおよびプイルアップ低減技術を用いて、半レプトン的最終状態におけるベクトルボソン散乱（VBS）断面積測定の精度を向上させる。
• 運動量再構築およびcタグギング技術を適用し、HE-LHCエネルギー下でのH → c̄cおよび希少ヒッグス崩壊への感度を向上させる。
• 理論的予測と実験的性能予測を用いて、系統的不確実性の改善および結合定数の精密度の向上を推定する。
• 増加した光度とエネルギーを活用して、グルーオン融合および関連生成を介した新しいヒッグスボソン（例：S → hh）の探査を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCおよびHE-LHCにおけるttH結合定数の予想される精度は何か？理論的不確実性が低減することでどの程度改善されるか？
• RQ2 HE-LHCは、高エネルギーでのヒッグスおよびベクトルボソン散乱過程を通じて、標準模型を超える新しい物理学スケールをどの程度探査できるか？
• RQ3 HE-LHCはH → c̄cまたは希少なエキゾチックなヒッグス崩壊（例：h → XX → bbµµ や 4ℓ）を観測可能か？どの branching 比率が達成可能か？
• RQ4 HE-LHCは偏光付きベクトルボソン散乱成分の測定をどの程度向上させ、純粋な縦偏光最終状態の有意性をどのように向上させるか？
• RQ5 HE-LHCは、pp → S → hh のような拡張されたヒッグスセクター（例：重いヒッグスボソンS）の発見探査範囲を、HL-LHCと比較してどの程度拡大できるか？

主な発見

• 理論的不確実性が2倍改善されると仮定した場合、HE-LHCにおけるttH結合定数の精度は約2%に達すると予想される。
• ttHとttZ結合定数の比は、統計的パワーの向上と系統的不確実性の低減により、パcentレベルで測定可能となる。
• HE-LHCでは1 TeVの中心系エネルギーで10%の測定が可能であり、ヒッグス質量における千分の1の精度に相当し、25 TeV程度の新しい物理学スケールに感度を持つことが可能となる。
• 異常な四次ガウジ結合を記述する次元8オペレーターに対する感度は、HE-LHCではHL-LHCと比較して10〜20倍向上する。
• HE-LHCでは、br ≈ 10⁻⁵（例：h → XX → bbµµ）のエキゾチックなヒッグス崩壊およびbr ≈ 10⁻⁸（例：h → 4ℓ）の崩壊を探査可能となり、HL-LHCの探査範囲はそれぞれ約5倍および約308倍に拡大される。
• HE-LHCでは、pp → S → hh のような重いヒッグスボソンSの発見探査範囲が、HL-LHCが探査可能な質量の1.5〜2倍まで拡大される。