[论文解读] Constraining the Higgs couplings to up and down quarks using production kinematics at the CERN Large Hadron Collider

Gage Bonner, Heather E. Logan|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出利用大型强子对撞机（LHC）四轻子衰变道中希格斯玻色子横动量（$p_T$）分布来约束上夸克和下夸克与希格斯玻色子的 Yukawa 耦合。通过分析 $p_T$ 谱中的运动学不对称性，该方法实现了具有竞争力的灵敏度，利用 13 TeV 下 3000 fb$^{-1}$ 数据，在 95% 置信水平下得到 $-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$ 和 $-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$ 的结果，其中 $\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$ 表示相对于底夸克耦合的归一化耦合强度。

ABSTRACT

We study the prospects for constraining the Higgs boson's couplings to up and down quarks using kinematic distributions in Higgs production at the CERN Large Hadron Collider. We find that the Higgs $p_T$ distribution can be used to constrain these couplings with precision competitive to other proposed techniques. With 3000 fb$^{-1}$ of data at 13 TeV in the four-lepton decay channel, we find $-0.73 \\lesssim \\bar{\\kappa}_u \\lesssim 0.33$ and $-0.88 \\lesssim \\bar{\\kappa}_d \\lesssim 0.32$, where $\\bar{\\kappa}_q = (m_q/m_b) \\kappa_q$ is a scaling factor that modifies the $q$ quark Yukawa coupling relative to the Standard Model bottom quark Yukawa coupling. The sensitivity may be improved by including additional Higgs decay channels.

研究动机与目标

• 开发一种新方法，利用 LHC 中的运动学分布来约束希格斯玻色子对轻夸克（上夸克和下夸克）的 Yukawa 耦合。
• 检验希格斯玻色子对上夸克和下夸克的耦合是否偏离标准模型预测，特别是由于这些耦合极弱且难以直接测量。
• 提供一种与全局拟合希格斯信号强度互补的方法，利用四轻子末态中的横动量（$p_T$）分布。
• 评估该方法对 $\bar{\kappa}_q$ 参数偏离的敏感度，其中 $\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$ 表示相对于底夸克耦合的归一化耦合强度。
• 评估通过引入如二光子末态等额外衰变道是否可进一步提升该 $p_T$-基约束方法的灵敏度。

提出的方法

• 该方法利用 $h \to 4\ell$ 衰变道中希格斯玻色子的横动量（$p_T$）分布，探测上夸克和下夸克 Yukawa 耦合的偏离。
• 定义不对称性 $A_T = 1 - 2\mathcal{P}$，其中 $\mathcal{P}$ 为横动量小于 $p_T^{\text{cut}}$ 的希格斯玻色子占比，以量化不同信号模型之间的运动学差异。
• 通过蒙特卡罗模拟建模产生和衰变过程，比较标准模型与 $\bar{\kappa}_u$ 或 $\bar{\kappa}_d$ 耦合被修改的模型中的 $p_T$ 谱。
• 统计不确定性通过二项分布的方差估算，公式为 $\sigma^\text{stat}_{A_T} = \sqrt{(1 - A_T^2)/N_{\text{tot}}}$，其中 $N_{\text{tot}}$ 为总事例数。
• 该方法假设实验和理论系统误差可忽略，以验证概念，重点聚焦于统计灵敏度。
• 评估在 13 TeV 能量中心系下 3000 fb$^{-1}$ 积分亮度下的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子的横动量（$p_T$）分布能否用于以与现有方法相当的灵敏度约束其对上夸克和下夸克的 Yukawa 耦合？
• RQ2 当 $\bar{\kappa}_u$ 和 $\bar{\kappa}_d$ 发生偏离时，对四轻子末态中希格斯玻色子的 $p_T$ 谱有何影响？
• RQ3 在 3000 fb$^{-1}$ 的 13 TeV LHC 数据下，基于 $p_T$ 的方法对 $\bar{\kappa}_u$ 和 $\bar{\kappa}_d$ 的预期灵敏度如何？
• RQ4 SM 与新物理振幅之间的干涉如何影响灵敏度，特别是对负的 $\bar{\kappa}_q$ 值？
• RQ5 包含二光子末态是否能提升基于 $p_T$ 的约束方法的灵敏度？

主要发现

• 利用 3000 fb$^{-1}$ 的 13 TeV 数据，该方法在 95% 置信水平下将 $\bar{\kappa}_u$ 约束在 $-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$ 范围内。
• 对于下夸克，约束范围为 $-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$，表明对 $\bar{\kappa}_d$ 的灵敏度略高于对 $\bar{\kappa}_u$ 的灵敏度。
• 由于 SM 与新物理振幅在 $p_T$ 分布中发生相消干涉，负的 $\bar{\kappa}_q$ 值灵敏度更弱。
• 当 $\bar{\kappa}_u = 0.33$ 且 $\bar{\kappa}_d = 0$ 时，$h \to gg$ 的分支比从 SM 中的 8.6% 降低至 7.3%，反映出希格斯产生动力学的变化。
• 该方法与全局拟合希格斯信号强度的方法正交，可与之结合以提高整体精度。
• 如补充研究所示，引入二光子末态可能进一步提升灵敏度。