[论文解读] Determination of Higgs-boson couplings at the LHC

M. Dührssen, S. Heinemeyer+4 more|ArXiv.org|Jul 16, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 5

一句话总结

该论文表明，仅通过温和的理论假设——即Higgs-规范玻色子耦合不超过标准模型（SM）值——即可在大型强子对撞机（LHC）上确定Higgs玻色子与规范玻色子及费米子的绝对耦合。在300 fb⁻¹的数据下，耦合测量的精度可达10%–40%；LHC可在M_A ≈ 350 GeV以内以3σ显著性区分MSSM与SM，在M_A ≈ 250 GeV以内以5σ显著性实现区分。

ABSTRACT

We investigate the determination of Higgs boson couplings to gauge bosons and fermions at the LHC from data on Higgs boson production and decay. We demonstrate that very mild theoretical assumptions, which are valid in general multi-Higgs doublet models, are sufficient to allow the extraction of absolute values of the couplings rather than just ratios of the couplings. For Higgs masses below 200 GeV we find accuracies of 10-40% for the Higgs couplings and the total Higgs boson width after several years of LHC running. The sensitivity of the Higgs coupling measurements to deviations from the Standard Model predictions is studied for an MSSM scenario.

研究动机与目标

• 为了确定Higgs玻色子的绝对耦合而非仅相对比值，从而克服LHC中不可观测衰变道带来的限制。
• 通过采用在多重Higgs双峰模型中成立的弱理论假设，降低Higgs耦合提取中的模型依赖性。
• 评估LHC在MSSM中对SM预测偏离的敏感度，特别是无混合基准情景下的表现。
• 评估亮度升级和堆叠效应对耦合测量精度的影响。
• 通过联合分析多种产生与衰变道，实现总Higgs宽度及部分宽度的模型无关提取。

提出的方法

• 利用窄宽度近似，将观测到的Higgs信号速率与产生宽度和衰变宽度的乘积（相对于SM预期）相关联。
• 施加Higgs-规范玻色子耦合不超过SM值的约束——该条件在一般多重Higgs双峰模型（包括MSSM）中成立。
• 结合LHC多个通道的测量结果：胶子-胶子融合（GF）、弱规范玻色子融合（WBF），以及与顶夸克或弱规范玻色子的关联产生。
• 采用χ²-似然分析，将观测到的事件速率与SM和MSSM预测进行比较，同时考虑统计和系统误差。
• 通过利用各通道间的相关性，执行全局拟合以提取部分宽度和Yukawa耦合的绝对值。
• 考虑三种亮度情景：30 fb⁻¹（低亮度）、300 fb⁻¹（高亮度），以及包含WBF通道堆叠退化影响的混合情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖强理论假设的前提下，从LHC中提取Higgs玻色子的绝对耦合？
• RQ2 在多重Higgs模型中实现绝对耦合确定所需的最小理论假设是什么？
• RQ3 LHC对MSSM中SM Higgs耦合偏离的敏感度如何，特别是在无混合基准情景下？
• RQ4 在300 fb⁻¹积分亮度下，Higgs耦合和总宽度的测量预期精度是多少？
• RQ5 高亮度运行中堆叠效应对WBF通道的影响如何影响Higgs耦合测量的精度？

主要发现

• 在300 fb⁻¹数据下，Higgs玻色子与费米子及规范玻色子的耦合可实现10%–40%的测量精度，具体取决于末态。
• 仅使用Higgs数据，LHC可在M_A ≈ 350 GeV以内以3σ显著性区分MSSM与SM，在M_A ≈ 250 GeV以内以5σ显著性实现区分。
• Higgs-规范玻色子耦合不超过SM值的假设已足够用于提取绝对耦合值，即使在存在不可观测衰变道的情况下亦成立。
• 总Higgs宽度的测量精度与之相当，从而可实现部分宽度的模型无关提取。
• 在MSSM无混合情景中，hbb和hττ耦合增强，导致总宽度增大，从而降低WW*、ZZ*和γγ模式的分支比。
• WBF通道中堆叠导致的性能退化会降低灵敏度，但对中等M_A值而言，仍保有显著的发现潜力。