[论文解读] Determination of the Higgs CP property in Hadron Colliders

Akihiro Matsuzaki, Hidekazu Tanaka|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出了三种与模型无关的方法，用于在强子对撞机上确定希格斯玻色子的CP量子数：(1) 分析通过矢量玻色子融合产生的过程，(2) 对底夸克衰变模式应用CP选择规则，(3) 测量t\bar{t}末态中顶夸克衰变产生的轻子的角分布。这些方法在广泛的希格斯玻色子质量范围内均有效，蒙特卡罗模拟显示，仅需20个事例即可清晰区分CP偶宇称与CP奇宇称的希格斯玻色子。

ABSTRACT

We propose three ways to determine the CP eigenvalue of the Higgs boson at the hadron collider as follows: 1. We determine the Higgs CP eigenvalue from the production cross section which is affected by the CP eigenvalue of the Higgs boson. 2. We adopt the CP selection rules to determine the Higgs CP eigenvalue. 3. We determine the CP property by the momentum distribution of the decay products of the Higgs boson. Our methods can be applied for a wide range of the Higgs mass.

研究动机与目标

• 在强子对撞机上以与模型无关的方式确定希格斯玻色子的CP本征值。
• 解决当希格斯玻色子衰变为Z、W或顶夸克的通道因质量过低而动力学禁阻时，识别CP性质的挑战。
• 提供适用于广泛希格斯玻色子质量谱的实验策略，尤其针对轻希格斯玻色子。
• 通过产生机制、衰变选择规则以及衰变产物的动量分布，区分CP偶宇称与CP奇宇称的希格斯玻色子。

提出的方法

• 利用矢量玻色子融合产生：CP偶宇称的希格斯玻色子可通过VV融合产生，而CP奇宇称的希格斯玻色子则因选择规则被禁止。
• 对希格斯玻色子衰变为底夸克对的应用CP选择规则：CP偶宇称的希格斯玻色子倾向于产生不发射光子的衰变模式（来自B*介子），而CP奇宇称的希格斯玻色子则不然。
• 通过测量t\bar{t}末态中顶夸克衰变产生的轻子的出射角分布，推断希格斯玻色子的宇称，从而确定其CP本征值。
• 利用蒙特卡罗模拟对希格斯玻色子静止参考系中的角分布D2/D1比值进行建模，其中CP偶宇称对应D2/D1 = 1，CP奇宇称对应D2/D1 = -1。
• 分析t\bar{t}和VV融合过程中希格斯玻色子的不变质量重建，以区分其CP性质。
• 在真实亮度条件（如LHC运行一年、亮度为10^34 cm^{-2}s^{-1}）下评估这些方法的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子的CP量子数能否在不依赖特定新物理模型的前提下被确定？
• RQ2 当希格斯玻色子衰变为Z、W或顶夸克的通道因质量过低而动力学禁阻时，如何提取其CP性质？
• RQ3 能否利用矢量玻色子融合等产生机制来区分CP偶宇称与CP奇宇称的希格斯玻色子？
• RQ4 CP偶宇称与CP奇宇称的希格斯玻色子在底夸克衰变模式中的选择规则有何不同？
• RQ5 t\bar{t}末态中顶夸克衰变产生的轻子的角分布能否用于确定希格斯玻色子的CP本征值？

主要发现

• 对于质量为400 GeV的希格斯玻色子，蒙特卡罗模拟测得20个事例样本中D2/D1比值为1.4 ± 0.7，与CP偶宇称希格斯玻色子一致。
• 对于质量为1000 GeV的希格斯玻色子，20个事例样本中D2/D1比值为1.8 ± 1.1，再次表明其为CP偶宇称希格斯玻色子。
• 基于矢量玻色子融合的产生方法可在S-V-V耦合非零时识别CP奇宇称希格斯玻色子；但当耦合被抑制时（如在2HDM或MSSM中β = α或α + π/2时）则失效。
• CP选择规则方法表明，CP偶宇称希格斯玻色子比CP奇宇称希格斯玻色子更少地从B*介子发射光子，从而提供清晰的实验信号。
• 在tanβ = 1.5且mA = 400 GeV的MSSM中，亮度为10^34 cm^{-2}s^{-1}时，每年预计可获得约10个pp → A + t\bar{t}的信号事例，经过筛选后背景降低至10%。
• 三种方法联合使用可在广泛的希格斯玻色子质量范围内确定CP本征值，任何偏离CP偶宇称或CP奇宇称的行为均暗示CP破坏。