[論文レビュー] Measurement of the Higgs boson width and evidence of its off-shell contributions to ZZ production

A. Tumasyan, W. Adam+2356 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける陽子-陽子衝突において、CMSデータを用いてヒッグスボソンの幅を測定することで、非殻上（off-shell）ヒッグスボソン生成の最初の証拠を提示する。測定された幅はΓH = 3.2+2.4−1.7 MeVであり、4.1 MeVである標準模型予測と整合的であり、非殻上寄与なしの状況は3.6σの有意水準で除外される。

ABSTRACT

Since the discovery of the Higgs boson in 2012, detailed studies of its properties have been ongoing. Besides its mass, its width - related to its lifetime - is an important parameter. One way to determine this quantity is by measuring its off-shell production, where the Higgs boson mass is far away from its nominal value, and relating it to its on-shell production, where the mass is close to the nominal value. Here, we report evidence for such off-shell contributions to the production cross section of two Z bosons with data from the CMS experiment at the CERN Large Hadron Collider. We constrain the total rate of the off-shell Higgs boson contribution beyond the Z boson pair production threshold, relative to its standard model expectation, to the interval [0.0061, 2.0] at 95% confidence level. The scenario with no off-shell contribution is excluded at a $p$-value of 0.0003 (3.6 standard deviations). We measure the width of the Higgs boson as $\Gamma_{\mathrm{H}}$ = 3.2 $_{-1.7}^{+2.4}$ MeV, in agreement with the standard model expectation of 4.1 MeV. In addition, we set constraints on anomalous Higgs boson couplings to W and Z boson pairs.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンの寿命および崩壊幅に敏感な、ZZ最終状態における非殻上生成を通じてヒッグスボソン幅を測定すること。
• ヒッグスボソン幅ΓH = 4.1 MeVという標準模型予測を、ZZ生成への非殻上寄与を制約することで検証すること。
• 新しい物理を示唆する可能性がある、ヒッグスボソンがWおよびZボソンと結合する際の異常な結合定数のずれを探索すること。
• ZZインバリアント質量スペクトルにおける干渉効果に基づく新規な手法を用いて、ヒッグスボソン幅の高精度測定を改善すること。

提案手法

• CERNの大型ハドロン衝突型加速器におけるCMS検出器を用い、√s = 13 TeVでの陽子-陽子衝突を分析する。
• ZZ → 4ℓ最終状態（ℓ = e, μ）を測定し、ZZ系のインバリアント質量を再構築する。特に、ZZ閾値を超える高質量領域に注目する。
• ヒッグス交換と連続的ZZ生成の干渉を用いて、非殻上ヒッグス寄与を抽出するため、インバリアント質量分布に同時にフィットを適用する。
• 非殻上ヒッグス信号を相対論的ブレイト＝ウインナー分布でモデル化し、断面積の比例関係を通じて非殻上と殻上生成率を関連付ける。
• σ_off-shell ∝ ΓH × µ_p の関係を用い、µ_p を信号強度とすることで、非殻上と殻上生成率の比からヒッグス幅を抽出する。
• 非殻上寄与が標準模型予測に対してどの程度制約されるかを統計的検定により評価し、ゼロ寄与の状況を3.6σで除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンの測定幅は何か？ また、4.1 MeVである標準模型予測と比べてどう異なるか？
• RQ2 高インバリアント質量領域におけるZZ → 4ℓ最終状態で、非殻上ヒッグスボソン生成の証拠はあるか？
• RQ3 WおよびZボソン対へのヒッグスボソンの異常結合が、観測された非殻上信号にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 LHC検出器の限られた質量分解能を考慮しても、非殻上生成を用いてヒッグスボソン幅を高精度で抽出できるか？

主な発見

• 95%信頼水準において、非殻上ヒッグスがZZ生成に寄与する割合は、標準模型予測の[0.0061, 2.0]倍に制限される。
• 非殻上寄与なしの状況はp値0.0003（3.6σの有意水準）で除外される。
• ヒッグスボソン幅はΓH = 3.2+2.4−1.7 MeVと測定され、標準模型予測の4.1 MeVと整合的である。
• WおよびZボソン対へのヒッグスボソンの異常結合に対して制約がかけられ、顕著なずれは観測されなかった。
• 検出器のエネルギー分解能の制限を克服し、非殻上生成を用いたヒッグス幅抽出の可能性を実証した。
• 本結果は、ZZインバリアント質量スペクトルの高質量領域において、非殻上ヒッグスボソン寄与が直接的に観測された最初の証拠を提供する。