[논문 리뷰] Precision Higgs coupling measurements at the LHC through ratios of production cross sections

A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 힉스 생산 단면적과 분해비율의 비율을 사용하여 이론적 및 실험적 불확실성을 감소시켜 힉스 결합을 측정하는 방법을 제안한다. 주로 덩성-융합 채널에서 발생하는 공통된 체계적 오차와 이론적 모호성을 상쇄함으로써, 이 비율들은 백분율 수준의 정확도를 달성하며, 이는 표준모형 및 그 이상의 정밀한 힉스 결합 측정에 이상적이다.

ABSTRACT

Now that the Higgs particle has been observed by the ATLAS and CMS experiments at the LHC, the next endeavour would be to probe its fundamental properties and to measure its couplings to fermions and gauge bosons with the highest possible accuracy. However, the measurements will be limited by significant theoretical uncertainties that affect the production cross section in the main production channels as well as by experimental systematical errors. Following earlier work, we propose in this paper to consider ratios of Higgs production cross sections times decay branching ratios in which most of the theoretical uncertainties and some systematical errors, such as the ones due to the luminosity measurement and the Higgs decay branching fractions, cancel out. The couplings of the Higgs particle could be then probed in a way that will be mostly limited by the statistical accuracy achievable at the LHC and accuracies at the percent level are foreseen for some of the ratios at the end of the LHC run. At the theoretical level, these ratios are also interesting as they do not involve the ambiguities that affect the Higgs total decay width in new physics scenarios. To illustrate how these ratios can be used to determine the Higgs couplings, we perform a rough analysis of the recent ATLAS and CMS data which shows that there is presently no significant deviation from the Standard Model expectation.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 14 TeV에서의 힉스 결합 측정에 있어 이론적 및 실험적 불확실성을 감소시키기 위해.
• 신물리 시나리오에서 힉스 총 붕괴 폭과 분해비율의 모호성에 대한 의존도를 최소화하기 위해.
• 히iggs 생산 및 붕괴 채널의 중복성을 활용하여 강인하고 모델에 종속되지 않는 관측량을 구성하기 위해.
• 통계적 오차 이외의 이론적 또는 루미노시티 오차로 제한되지 않는 고정밀도 결합 측정을 가능하게 하기 위해.
• 통합 단면적 측정과의 보완이 되는 방법을 제공하기 위해, 벡터 보손 융합(VBF) 및 관련 생성 모드에 초점을 맞추기 위해.

제안 방법

• 다른 붕괴 모드(예: $D_{\gamma\gamma} = \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to \gamma\gamma) / \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to WW^*)$)에 대한 힉스 생산 단면적과 분해비율의 비율을 구성한다.
• 융합 채널의 오염이 최소화된 생산 모드를 분리하기 위해 VBF가 지배하는 사건(예: $jjH \to \gamma\gamma$)을 사용한다.
• 루미노시티 및 분해비율 불확실성을 상쇄하기 위해 $C_{gg}^{-1} = \hat{\mu}_{\gamma\gamma jj} / \hat{\mu}_{\gamma\gamma}$와 같은 비율을 구성한다.
• ATLAS 및 CMS 데이터에 이러한 비율을 적용하여 총 붕괴 폭과 $gg \to H$ 단면적 불확실성에 영향을 받지 않는 결합 수정 계수를 추출한다.
• 이론적 추정치를 사용하여 $gg \to H$ 단면적 불확실성(±20%)을 $C_{gg}^{-1}$-유형 비율의 체계적 오차 하한선으로 적용한다.
• 통계적 오차가 지배하는 300 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 가정하여 향후 정밀도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생산 단면적과 분해비율의 비율이 힉스 결합 측정의 이론적 및 실험적 불확실성을 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 비율은 통합 단면적 측정에서 공통적으로 발생하는 루미노시티 및 분해비율 불확실성을 어느 정도 상쇄하는가?
• RQ3 $gg \to H$ 과정의 이론적 불확실성은 결합 결정에 어떤 영향을 미치며, 비율 기반 관측량을 통해 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 VBF 채널을 사용하여 주로 발생하는 덩성-융합 채널에 의존하지 않는 고정밀도 결합 측정을 달성할 수 있는가?
• RQ5 300 fb⁻¹의 데이터로 LHC 런의 끝에서 결합 비율의 정확도는 어느 정도 도달할 수 있는가?

주요 결과

• D_{\gamma\gamma} 및 $D_{\tau\tau}^{(jj)}$와 같은 비율은 통계적 오차로 제한되어 LHC 런의 끝에서 5% 정확도에 도달할 것으로 예상된다.
• ATLAS 데이터로부터 유도된 비율 $C_{gg}^{-1} = c_V^2 / c_g^2 = 1.5 \times [1 \pm 0.57 \pm 0.4]$는 표준모형과 일치하며, 40%의 이론적 불확실성이 지배한다.
• 큰 데이터 샘플이 있음에도 불구하고, $gg \to H$ 단면적의 이론적 불확실성(±20%)은 $C_{gg}^{-1}$-유형 비율에서 여전히 주요 체계적 오차로 남아 있다.
• VBF 위상에서의 $\gamma\gamma$ 채널($\hat{\mu}_{\gamma\gamma jj}$)은 $gg \to Hjj$ 오염으로 인해 큰 이론적 불확실성(±50%)을 가지며, 이로 인해 독립적인 사용이 제한된다.
• $D_{\gamma\gamma}$와 $C_{gg}^{-1}$를 조합하면 모델 의존성이 감소한 $c_V^2 / c_g^2$의 일관된 결정이 가능하다.
• 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 데이터를 가정할 경우, 일부 비율은 통계적 정밀도가 백분율 이하로 도달할 수 있으며, 이는 비율 관측량을 사용할 경우 LHC가 정밀 힉스 기계가 될 수 있음을 보여준다.