[论文解读] CP Studies of the Higgs Sector

Rohini M. Godbole, Kraml, S.+4 more|ArXiv.org|Apr 2, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 8

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）、$e^+e^-$直线对撞机（LC）和光子对撞机（PLC）上希格斯玻色子的CP性质，表明结合这三个对撞机的测量结果对于在存在CP破坏的双 Higgs双生模型（2HDM）中分离CP偶分量与CP奇分量至关重要。研究显示，LHC与LC/PLC数据的协同作用可精确测定$\tan\beta$和CP混合角$\Phi_{HA}$等关键参数，其中PLC对$\Gamma_{\gamma\gamma}$和$\Phi_{\gamma\gamma}$的测量提供了对CP破坏相位的关键敏感度。

ABSTRACT

The CP structure of the Higgs sector will be of great interest to future colliders. The measurement of the CP properties of candidate Higgs particles will be essential in order to distinguish models of electroweak symmetry breaking, and to discover or place limits on CP-violation in the Higgs sector. In this report we briefly summarize various methods of determining the CP properties of Higgs bosons at different colliders and identify areas where more study is required. We also provide an example of a synergy between the LHC, an e+e- Linear Collider and a Photon Collider, for the examination of CP-violation in a Two-Higgs-Doublet-Model.

研究动机与目标

• 评估LHC、LC和PLC对标准模型之外的希格斯玻色子CP性质的探测灵敏度。
• 识别单个对撞机在探测希格斯自证中CP混合方面的局限性，特别是在存在CP破坏的双 Higgs双生模型（2HDM）背景下。
• 证明结合多个对撞机的数据对于完整重建希格斯耦合结构并确定CP破坏参数的必要性。
• 量化LHC与LC协同测量在类型-II 2HDM中确定CP混合角$\Phi_{HA}$和$\tan\beta$的潜力。
• 为未来利用多对撞机测量开展希格斯自证中CP破坏的高精度研究提供框架。

提出的方法

• 利用中性希格斯玻色子与费米子及矢量玻色子耦合的一般结构，通过$v_f$、$a_f$和$c_V$参数化描述CP偶分量与CP奇分量。
• 在LHC中应用$gg \to \phi \to f\bar{f}$和$gg \to t\bar{t}\phi$过程中的自旋-自旋关联来探测CP性质。
• 在PLC中利用$\gamma\gamma \to \phi \to VV$、$WW$、$ZZ$、$t\bar{t}$和$b\bar{b}$衰变中的角分布与螺旋度分布来提取CP奇分量。
• 在PLC中利用螺旋度振幅中的极化不对称性直接测量CP混合，对$\phi \to \gamma\gamma$振幅的相位$\Phi_{\gamma\gamma}$具有敏感度。
• 对LHC、LC和PLC上$\phi_2 \to VV$的预期截面和分支比进行对比分析，以$m_{\phi_2} = 250$ GeV作为基准点。
• 结合所有三个对撞机的测量结果以确定$\tan\beta$和$\Phi_{HA}$，其中PLC对$\Gamma_{\gamma\gamma}$和$\Phi_{\gamma\gamma}$的数据提供了关键约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC、LC和PLC能否单独分辨出在CP破坏的2HDM中希格斯玻色子的CP性质？
• RQ2 PLC对$\phi \to \gamma\gamma$振幅中CP破坏相位$\Phi_{\gamma\gamma}$的敏感度如何？其对参数确定的改善程度如何？
• RQ3 与单对撞机测量相比，LHC与LC/PLC数据的结合在测量$\tan\beta$和CP混合角$\Phi_{HA}$方面的精度提升程度如何？
• RQ4 通过$\gamma\gamma \to \phi \to VV$和$t\bar{t}$衰变中的角分布与螺旋度不对称性，能在多大程度上探测希格斯自证中的CP破坏效应？
• RQ5 LHC需要多大的积分亮度和测量精度才能区分希格斯自证中纯标量与混合CP态？

主要发现

• 在$100~{\rm fb}^{-1}$数据下，LHC可在$>5\sigma$显著性水平下排除$\phi \to ZZ$衰变中纯赝标量希格斯玻色子的可能性。
• 在LHC中区分希格斯自证中50:50的CP偶/CP奇混合态，需要$600~{\rm fb}^{-1}$数据才能达到$\sim 1.5\sigma$的显著性。
• LC和PLC可将$\Gamma_{\gamma\gamma}$测量精度控制在3–8%之间，$\Phi_{\gamma\gamma}$测量精度达到40–120 mrad，对CP破坏相位具有高敏感度。
• 当$\tan\beta = 0.7$且$\Phi_{HA} = -0.2$时，仅LHC数据的$1\sigma$不确定度带过宽，无法准确确定$\tan\beta$和$\Phi_{HA}$。
• 结合LHC、LC和PLC的数据可显著减小不确定度，实现对$\tan\beta$和$\Phi_{HA}$的精确测定，其中PLC数据对解析CP混合角至关重要。
• 本研究证明，LHC与LC/PLC之间的协同作用对于完整重建希格斯耦合结构并探测2HDM和MSSM等模型中的CP破坏是必要的。