[论文解读] Model Independent Determination of $HWW$ coupling and Higgs total width at ILC

Claude Dürig, H. Fujii+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 13

一句话总结

本论文利用国际线性对撞机（ILC）在250 GeV和500 GeV能量下的$e^+e^-$碰撞，采用$WW$-融合过程$e^+e^- \to \nu\bar\nu H$并随后测量$H \to b\bar b$和$H \to WW^*$，实现了对希格斯玻色子总宽度和$HWW$耦合的模型无关测定。在基准亮度和束流极化条件下，250 GeV能量下$HWW$耦合的测量精度为4.8%，500 GeV下为1.2%；而希格斯玻色子总宽度的测量精度分别为11%和5%。

ABSTRACT

This article is based on the talk presented at the International Workshop on Future Linear Colliders (LCWS13) which held during November 11-15, 2013 at Tokyo, Japan. We present several analyses related to the Higgs total width study at ILC based on the full detector simulation of ILD, which are \eevvH followed by \Htobb and \HtoWW. The studies show that at $\unit{250}{GeV}$ we can determine the Higgs total width with a relative precision of 11% and the $HWW$ coupling with 4.8%, whereas at $\unit{500}{GeV}$ the expected precision can be significantly improved to 5% and 1.2% respectively, assuming the baseline integrated luminosities of ILC, which are $\unit{250}{fb^{-1}}$ @ $\unit{250}{GeV}$, $\unit{500}{fb^{-1}}$ @ $\unit{500}{GeV}$, and a beam polarization of $P(e^{-},e^{+})=(-80%,+30%)$. A new approach of removing pile-up particles based on multivariate method developed during those analyses is also presented.

研究动机与目标

• 利用$WW$-融合过程在ILC上实现对希格斯总宽度和$HWW$耦合的模型无关测定。
• 克服直接测量希格斯总宽度的挑战，因为其宽度过窄，无法在LHC或ILC的线形图中重建。
• 利用250 GeV和500 GeV能量下的$\nu\bar\nu H$产生通道，提取$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$和$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$的高精度测量结果。
• 开发并应用多变量方法，以抑制高亮度ILC条件下堆叠污染的影响。
• 结合半轻子与完全强子型$WW^*$衰变模式，以提高$HWW$耦合与总宽度测量的统计精度。

提出的方法

• 通过ILC探测器模型ILD的完整探测器模拟，测量绝对截面$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to b\bar b)$和$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$。
• 应用多变量分析技术，以抑制高亮度ILC条件下堆叠粒子的影响，提升信号纯度。
• 采用事件选择标准，包括大缺失能量、大缺失横向动量，以及b夸克喷注抑制，以减少QCD和$W^+W^-$背景。
• 实施角度与运动学切割，以抑制$W^+W^- \to l\nu qq$和$eeZ$/$e\nu W$背景，尤其在电子与缪子末态中更为有效。
• 在半轻子模式中，通过两喷注重构$W$玻色子质量，通过轻子与两喷注重构希格斯玻色子质量，以增强信号识别能力。
• 结合半轻子模式（$H \to l\nu + 2\text{-jets}$）与完全强子模式（$H \to 4\text{-jets}$）的$WW^*$衰变结果，以提升统计显著性与测量精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用$WW$-融合产生过程在ILC上实现对希格斯总宽度的模型无关高精度测定？
• RQ2 在250 GeV与500 GeV ILC能量下，利用$\nu\bar\nu H$事例，$HWW$耦合的可实现精度是多少？
• RQ3 多变量堆叠抑制技术在高亮度ILC条件下有多高效？
• RQ4 在500 GeV能量下，半轻子模式与完全强子模式中，哪种衰变模式对$H \to WW^*$测量具有更好的灵敏度？
• RQ5 结合250 GeV与500 GeV运行数据，能否提升对希格斯总宽度与$HWW$耦合的整体测量精度？

主要发现

• 在250 GeV能量下，亮度为250 fb$^{-1}$，束流极化为$P(e^-, e^+) = (-80\%, +30\%)$时，$HWW$耦合的相对精度达到4.8%。
• 在500 GeV能量下，亮度为500 fb$^{-1}$，相同束流极化条件下，$HWW$耦合精度提升至1.2%。
• 当结合两个能量的数据时，希格斯总宽度在250 GeV下的相对精度为11%，在500 GeV下为5%。
• 在500 GeV下，结合半轻子与完全强子$WW^*$衰变模式，$\sigma_{\nu\bar\nu H} \times \mathrm{Br}(H \to WW^*)$的相对精度达到2.4%。
• 在500 GeV下，组合半轻子分析的统计显著性达到22.8$\sigma$，其中缪子末态为17.4$\sigma$，电子末态为14.7$\sigma$。
• 在亮度升级方案下，500 GeV下的$HWW$耦合精度可提升至0.58%，250 GeV下为2.3%；当结合250 GeV与500 GeV数据时，总宽度精度可达2.5%。