[论文解读] The Higgs boson and the physics of $WW$ scattering before and after Higgs discovery

M. Szleper|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用 11

一句话总结

本文全面回顾了希格斯玻色子和电弱对称性自发破缺背景下矢量玻色子散射（VBS）的研究，涵盖大型强子对撞机（LHC）发现希格斯玻色子之前和之后的情况。文章评估了VBS过程——特别是同号 $WW$ 散射——对新物理的敏感性，强调螺旋度分析及未来在高亮度LHC（HL-LHC）和未来环形对撞机（FCC）中的前景，其中更高的精度可能揭示异常的四费米子规范耦合或新共振态。

ABSTRACT

This work presents a comprehensive overview of the physics of vector boson scattering (VBS) in the dawn of Run 2 of the Large Hadron Collider (LHC). Recalled here are some of its most basic physics principles, the historical relation between vector boson scattering and the Higgs boson, then discussed is the physics of VBS processes after Higgs discovery, and the prospects for future VBS measurements at the LHC and beyond. This monograph reviews the work of many people, including previously published theoretical work as well as experimental results, but also contains a portion of original simulation-based studies that have not been published before.

研究动机与目标

• 评估 $WW$ 散射在希格斯玻色子发现后作为电弱对称性自发破缺和标准模型之外新物理（BSM）探测手段的作用。
• 评估LHC上 $WW$ 散射测量对异常三重和四重规范耦合的敏感性，特别是在未来高亮度和高能运行的背景下。
• 倡导采用新型分析技术——特别是矢量玻色子的螺旋度分解——以增强VBS过程中对BSM物理的探测灵敏度。
• 探讨高亮度LHC和未来环形对撞机（FCC）在区分希格斯 sector 中的新物理与规范 sector 中的新动力学方面的潜力。
• 建立希格斯玻色子耦合、二玻色子产生和 $VV$ 散射测量之间的一致性检验，作为标准模型的闭合测试。

提出的方法

• 利用有效 $W$ 近似和等效定理，简化 $WW$ 散射过程的描述。
• 应用“产生 × 衰变”近似，对 $WW$ 散射中的 $VV$ 最终态进行建模，重点关注轻子衰变和半轻衰变道。
• 基于模拟研究 $WW$ 散射过程，包括不可约和可约背景，以评估实验探测灵敏度。
• 对关键背景（如 $t\bar{t}$、$W$+jets、QCD 多喷注和 $WZ/ZZ$）进行建模，以在实验分析中分离出 $WW$ 信号。
• 提出基于螺旋度的分析技术，以区分纵向与横向矢量玻色子极化贡献，尤其在 $W^\pm W^\pm$ 最终态中。
• 评估未来对撞机（HL-LHC 和 FCC）通过高精度测量 $WW$ 散射、希格斯耦合和异常规范耦合探测BSM物理的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用 $WW$ 散射过程探测电弱对称性自发破缺机制，并检验标准模型之外的希格斯 sector？
• RQ2 $WW$ 散射测量在LHC上对异常四重规范耦合的敏感性如何？如何通过先进分析技术加以提升？
• RQ3 在缺乏直接共振信号的情况下，$WW$ 散射在多大程度上能够区分希格斯 sector 中的新物理与规范 sector 中的新物理？
• RQ4 未来对撞机升级（HL-LHC 和 FCC）如何增强 $VV$ 散射过程中对BSM物理的探测能力？
• RQ5 希格斯玻色子耦合、二玻色子产生和 $VV$ 散射测量之间的一致性检验，能否构成对标准模型的闭合测试？

主要发现

• 在缺乏直接共振信号的情况下，$WW$ 散射过程，特别是具有纯轻子衰变的同号 $W^\pm W^\pm$ 最终态，提供了对新物理的最佳独立探测灵敏度。
• 在 $\sqrt{s}$ = 13 TeV 下积累 300 fb⁻¹ 数据时，LHC 预计将实现对 $WW$ 散射的标准模型测量，但独立的BSM探测灵敏度仅在高亮度LHC阶段才能实现。
• 提升对BSM效应的探测灵敏度，特别是影响纵向 $V_L V_L$ 对的效应，最有效的区域是标记喷注的低横动量和大伪快度区域。
• 对 $VV$ 对的螺旋度分析对于区分观测到的过量信号的起源至关重要——无论是来自希格斯 sector 的新物理，还是来自规范 sector 的新物理。
• FCC 在 $\sqrt{s}$ = 100 TeV 下具备探测 $VV$ 散射中广泛BSM效应的潜力，并可通过跨多个测量的一致性检验识别其物理起源。
• 在FCC上，希格斯耦合、二玻色子产生和 $VV$ 散射测量之间的一致性，将为标准模型或任何替代它的新理论提供最严格的检验。