[论文解读] Single-variable asymmetries for measuring the `Higgs' boson spin and CP properties

Radja Boughezal, T. LeCompte+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 33

一句话总结

本文提出基于四轻子末态中轻子对的不变质量排序的单变量不对称性，以探测LHC发现的类希格斯玻色子的自旋和CP量子数。通过分析下质量轻子对（$M_{34}$）在其运动学极限附近的下降行为，该方法利用衰变_boost_（$\beta$）的幂律依赖关系，区分自旋-0（CP偶或CP奇）与自旋-2假设，早期数据已排除某些自旋-2耦合结构。

ABSTRACT

We introduce a class of asymmetries sensitive to the spin and CP properties of the new boson discovered by the ATLAS and CMS experiments. These asymmetries can be measured in the four-lepton final state, and are defined by integrating the invariant masses of the lepton pairs over specified ranges. We outline a program of measurements using initial LHC data to determine the quantum numbers and coupling structure, provide analytic expressions for decay widths in several representative models, and discuss what can be determined using the available data. As examples, we show how the combination of ATLAS and CMS data already disfavor certain spin-2 couplings, and discuss how further data will allow for discrimination of a pure CP-odd scalar from a CP-even hypothesis.

研究动机与目标

• 开发一种简单、模型无关的方法，仅使用四轻子末态的不变质量变量，探测新发现的类希格斯玻色子的自旋与CP量子数。
• 提供一种快速、可解释的分析工具，可应用于LHC初期数据，以约束关于新粒子自旋与CP结构的多种竞争假设。
• 证明即使数据有限，也可开始排除某些自旋-2耦合结构，特别是具有$\beta^5$依赖关系的结构。
• 通过识别最优的运动学截断与不对称性定义，为未来更灵敏的分析奠定基础，便于实验实施。
• 鼓励实验合作组采用此方法，以实现自旋-0与自旋-2假设的早期区分，并为未来利用更多数据实现CP奇态的鉴别做好准备。

提出的方法

• 将高低不对称性$\mathcal{A}_{M_{\text{cut}}}$定义为$M_{34} > M_{\text{cut}}$与$M_{34} < M_{\text{cut}}$区域事件计数之差与之和的比值。
• 将$M_{12}$与$M_{34}$分别定义为高、低质量同味轻子对的不变质量，且在希格斯玻色子静止参考系中满足$M_{34} \leq M_H - M_{12}$。
• 利用$M_{34}$分布在其上限附近的运动学下降行为，其行为依赖于共振态的自旋与CP量子数：自旋-0 CP偶为线性，CP奇为$\beta^3$，自旋-2则为$\beta$、$\beta^3$或$\beta^5$。
• 在代表性模型（如自旋-2引力子）中推导微分衰变宽度，以计算每种假设下的预期$M_{34}$形状与不对称性。
• 利用不对称性将数据与理论预测进行比较，实现在无需完整多变量分析的前提下，早期排除不兼容模型。
• 提出一种数据驱动的方案，即对每个$M_{12}$区间优化$M_{\text{cut}}$以最大化灵敏度，并倡导使用该方法合并ATLAS与CMS数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于轻子对不变质量的单变量不对称性，能否有效区分类希格斯玻色子的自旋-0与自旋-2假设？
• RQ2 在运动学极限附近，$M_{34}$分布的下降行为如何依赖于共振态的CP与自旋量子数？
• RQ3 早期LHC数据是否已能开始排除特定的自旋-2耦合结构，特别是具有$\beta^5$依赖关系的结构？
• RQ4 随着数据量增加，该方法在多大程度上可实现对纯CP偶与纯CP奇自旋-0假设的区分？
• RQ5 该不对称性如何用于指导更复杂的多变量分析，并检测自旋-0态中CP偶与CP奇耦合的混合？

主要发现

• $M_{34}$分布在其运动学极限附近的下降行为，自旋-0 CP偶为$\beta$，CP奇为$\beta^3$，自旋-2则取决于耦合方式，表现为$\beta$、$\beta^3$或$\beta^5$。
• 即使数据有限，该不对称性分析已排除表现出$\beta^5$依赖关系的自旋-2耦合结构，此结论在Gao等（2010）的两个代表性模型中得到验证。
• 该方法对背景污染具有鲁棒性，可利用现有LHC数据快速实现，是早期模型区分的理想工具。
• 该不对称性提供了一种简单、模型无关的方式，将ATLAS与CMS数据合并，提升灵敏度，且无需完整事件级重建。
• 随着数据量增加，该方法将能实现对自旋-0 CP偶与CP奇假设的区分，并可扩展用于探测自旋-0态中的CP混合。
• 该方法为检验自旋-2引力子假设提供了清晰路径，但当前数据尚无法将其与$0^{++}$希格斯玻色子区分开。