[论文解读] Measurement of the $CP$ properties of Higgs boson interactions with $ au$-leptons with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2956 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文利用大型强子对撞机LHC上ATLAS探测器获取的139 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV），测量了希格斯玻色子与底夸克衰变产物的CP性质。通过tau轻子衰变产物的CP敏感角观测量，对CP混合角𝜙𝜏进行约束，测得结果为9° ± 16°，在68%置信水平下预期值为0° ± 28°，并以3.4σ的显著性排除了纯CP奇性假设，与标准模型预测的CP偶性希格斯玻色子一致。

ABSTRACT

A study of the charge conjugation and parity ($CP$) properties of the interaction between the Higgs boson and $ au$-leptons is presented. The study is based on a measurement of $CP$-sensitive angular observables defined by the visible decay products of $ au$-lepton decays, where at least one hadronic decay is required. The analysis uses 139 fb$^{-1}$ of proton$-$proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Contributions from $CP$-violating interactions between the Higgs boson and $ au$-leptons are described by a single mixing angle parameter $\phi_{ au}$ in the generalised Yukawa interaction. Without assuming the Standard Model hypothesis for the $H ightarrow au au$ signal strength, the mixing angle $\phi_{ au}$ is measured to be $9^{\circ} \pm 16^{\circ}$, with an expected value of $0^{\circ} \pm 28^{\circ}$ at the 68% confidence level. The pure $CP$-odd hypothesis is disfavoured at a level of 3.4 standard deviations. The results are compatible with the predictions for the Higgs boson in the Standard Model.

研究动机与目标

• 探究希格斯玻色子与tau轻子的Yukawa耦合的CP性质，可能揭示标准模型之外的新物理。
• 测量量化H→𝜏𝜏耦合中CP偶分量与CP奇分量混合程度的CP混合角𝜙𝜏。
• 检验希格斯玻色子是否表现出任何CP奇贡献，这将表明存在标准模型之外的物理现象。
• 利用tau衰变产物的角相关性，提取对希格斯衰变中CP破坏相互作用的敏感度。

提出的方法

• 分析使用了在H→𝜏𝜏衰变中由tau轻子的可见衰变产物定义的CP敏感角观测量。
• 通过两个tau轻子的衰变平面重建符号反平面角𝜑∗CP，该变量对受CP混合角𝜙𝜏影响的横向自旋关联敏感。
• 该方法依赖于自旋密度矩阵形式和由tau衰变产物动量导出的极化计向量，以重建衰变平面的取向。
• 微分衰变率建模为dΓ ∝ 1 − b(E⁺)b(E⁻) (π²/16) cos(𝜑∗CP − 2𝜙𝜏)，将可观测量与CP混合角联系起来。
• 分析在两个通道中进行：一个为轻子道tau衰变（𝜏lep𝜏had），另一个为强子道tau衰变（𝜏had𝜏had），使用139 fb⁻¹的pp对撞数据（√s = 13 TeV）。
• 通过同时拟合𝜑∗CP分布，提取CP混合角𝜙𝜏，其中信号强度和背景贡献未受标准模型预测的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在H→𝜏𝜏耦合中，测得的CP混合角𝜙𝜏值是多少？其与标准模型预测的零值相比如何？
• RQ2 是否存在希格斯-τ Yukawa耦合中CP奇分量的证据？若存在，其显著性水平是多少？
• RQ3 tau衰变产物的角相关性在多大程度上约束了希格斯玻色子中CP破坏相互作用的存在？
• RQ4 观测数据在多大程度上与标准模型中CP偶性希格斯玻色子的假设一致？

主要发现

• 在68%置信水平下，测得CP混合角𝜙𝜏为9° ± 16°，与标准模型预测的0°一致。
• 标准模型假设的预期灵敏度在68%置信水平下给出0° ± 28°的区间，表明具有良好的统计功效。
• 纯CP奇性假设（𝜙𝜏 = ±90°）以3.4个标准差的显著性被排除。
• 结果与标准模型预测的CP偶性希格斯玻色子一致，在H→𝜏𝜏耦合中未发现新物理的显著证据。
• 该分析证明了利用tau衰变角观测量探测LHC中希格斯耦合的CP破坏效应的可行性。
• 该测量在多个衰变道中均具鲁棒性，𝜏lep𝜏had与𝜏had𝜏had末态结果一致。