[论文解读] Black Holes at the LHC can Determine the Spin of Higgs Bosons

Yosuke Uehara|ArXiv.org|May 13, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 19被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过分析高能碰撞中产生的黑洞衰变产物，来确定大型强子对撞机（LHC）中希格斯玻色子的自旋。该方法利用自旋-0希格斯玻色子具有一个自由度，而自旋-1希格斯玻色子具有三个自由度的事实，导致衰变概率增加三倍；仅需2.4 fb⁻¹的亮度，即可实现5σ显著性，从而在一个月内完成自旋-0与自旋-1希格斯玻色子的区分。

ABSTRACT

We propose a new method to determine the spin of Higgs bosons at the LHC by using the decay products of black holes. Black holes may be produced if TeV-scale gravity theories are correct, and black holes decay into several particles. This decay results in the emission of high energy particles, including Higgs bosons. The difference of the degree of freedom between spin 0 and spin 1 Higgs bosons leads to a difference of the number of reconstructed Higgs bosons. From this fact, we can determine the spin of Higgs bosons with $5 σ$ significance by using the integrated luminosity L = 2.4 fb^-1, which can be accumulated in only one month operation.

研究动机与目标

• 为解决在LHC中确定希格斯玻色子自旋的挑战，传统角分布方法面临高背景和低统计量的问题。
• 提出一种不依赖角相关性的、无背景的新自旋确定方法。
• 利用LHC中超越普朗克尺度黑洞的衰变，探测希格斯玻色子的自旋量子数。
• 证明自旋-0与自旋-1希格斯玻色子之间自由度的差异，会导致事件率的可测量差异。

提出的方法

• 该方法依赖于在TeV尺度引力模型（含6或7个额外维度）下，LHC中产生非旋转的史瓦西黑洞。
• 黑洞通过霍金辐射衰变，特定粒子的衰变率取决于其自由度：自旋-0希格斯玻色子为1，自旋-1希格斯玻色子为3。
• 应用高能触发器以检测包含一个重建希格斯玻色子和三个高能粒子（喷注、轻子、光子）的事件，排除顶夸克、W/Z玻色子、τ子、中微子和引力子。
• 检测此类事件的概率计算为P ≈ 5.1×10⁻⁴，从10⁸个产生的黑洞中可获得约51,000个候选事件。
• 假设已事先发现希格斯玻色子，对希格斯玻色子衰变为b夸克、WW、gg和ττ的重建效率估计为92%。
• 该方法通过比较自旋-0与自旋-1假设下的预期希格斯玻色子计数，利用衰变概率的差异来检验自旋假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子的自旋能否在不依赖角分布测量的情况下于LHC中被独立确定？
• RQ2 黑洞衰变为希格斯玻色子时，自旋-0与自旋-1希格斯玻色子在事件产额上是否存在可测量的差异？
• RQ3 是否可利用黑洞衰变事件，在低积分亮度下实现自旋-0假设的5σ显著性？
• RQ4 由于触发和重建条件严格，该方法是否对背景污染具有鲁棒性？
• RQ5 需要多大的亮度才能以高统计显著性区分自旋-0与自旋-1希格斯玻色子？

主要发现

• 若希格斯玻色子实际为自旋-0，仅需2.4 fb⁻¹的积分亮度，即可以210σ的显著性拒绝其为自旋-1的假设。
• 该方法仅需LHC低亮度设计速率（10³³ cm⁻²s⁻¹）运行一个月，对应10⁻⁶ fb⁻¹s⁻¹的亮度。
• 根据自旋-0假设，预计可重建47,000个希格斯玻色子；根据自旋-1假设，预计可重建92,000个，这是由于自由度增加了三倍。
• 触发条件高度选择性，通过排除在探测前衰变或未被探测到的粒子，将背景几乎降至零。
• 对于指定的衰变道，该方法为无背景，因为触发器仅选择高能、稳定且可探测的粒子。
• 在假设希格斯玻色子质量为120 GeV、6或7个额外维度下基本尺度为1 TeV的前提下，结果具有鲁棒性。