[论文解读] Determination of the muon Yukawa coupling at high energy e+e- linear colliders

M. Battaglia, A. De Roeck|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出通过高能 $e^+e^-$ 直线对撞机上的稀有希格斯衰变 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 测量μ子的Yukawa耦合。在 $\sqrt{s} = 0.8$ TeV 和 $3.0$ TeV 下，分别使用 1 ab$^{-1}$ 和 5 ab$^{-1}$ 的亮度，通过希格斯辐射和 $WW$ 融合过程，研究表明当 $M_H \leq 155$ GeV 时可实现 $5\sigma$ 信号显著性，并将 $g_{H\mu\mu}$ 的确定精度提升至 4\%–11\%，从而证实了希格斯机制对轻子质量生成的贡献。

ABSTRACT

The perspectives for the observation of the rare decay H -> mumu decay and the determination of the muon Yukawa coupling at a TeV-class and at a multi-TeV e+e- linear colliders are discussed. The signal for the decay can be obtained at 0.8 TeV and a first estimate of the coupling derived. A linear collider operating at 3 TeV, with high luminosity, is able to improve the accuracy on this couplings to 4% to 11% for 120 GeV < M_H < 150 GeV.

研究动机与目标

• 通过测量μ子Yukawa耦合 $g_{H\\mu\\mu}$ 来检验希格斯机制的质量生成机制。
• 在高能 $e^+e^-$ 直线对撞机上确定稀有希格斯衰变 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 的分支比。
• 将希格斯耦合的精确检验扩展至轻子 sector，验证其与费米子质量的标度关系。
• 比较TeV级与多TeV级 $e^+e^-$ 对撞机在该测量中的性能表现。
• 评估在主要背景干扰下观测 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变的可行性。

提出的方法

• 利用 Pythia-6 蒙特卡洛方法生成 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 的信号事件，涵盖 $WW$ 融合和希格斯辐射过程。
• 利用 CompHEP 和 Pythia 模拟背景过程，包括 $WW \to \mu\nu\mu\nu$、$ZZ \to \mu\mu\nu\bar{\nu}$ 和 $\mu\mu\nu\bar{\nu}$。
• 利用基于 TeV 和多TeV 直线对撞机预期的 Simdet 参数化模拟模型，对探测器响应进行建模，μ子动量分辨率设定为 $\delta p/p^2 = 5 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$。
• 使用 CompHEP 计算信号与背景的截面，利用 HDecay 计算分支比。
• 通过高斯信号与多项式背景拟合双μ子不变质量分布，从而提取信号事例数。
• 在假设产生截面具有 2\% 不确定性的前提下，从测量得到的乘积 $\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$ 中提取μ子Yukawa耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 0.8$ TeV 下，使用 1 ab$^{-1}$ 的积分亮度，是否能观测到 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 的稀有衰变？
• RQ2 在 3 TeV 的 $e^+e^-$ 直线对撞机上，使用 5 ab$^{-1}$ 的亮度，确定μ子Yukawa耦合 $g_{H\mu\mu}$ 的可实现精度是多少？
• RQ3 多TeV级 $e^+e^-$ 对撞机在测量 $g_{H\mu\mu}$ 方面的性能，与μ子对撞机或强子对撞机相比如何？
• RQ4 在高能 $e^+e^-$ 对撞机上，$H^0 \to \mu^+\mu^-$ 衰变是否能被高效重建并有效与背景分离？
• RQ5 在 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV 下，$H^0 \to \mu^+\mu^-$ 的 $5\sigma$ 信号显著性可达到的最大希格斯玻色子质量是多少？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 0.8$ TeV 下，使用 1 ab$^{-1}$ 亮度，当 $M_H \simeq 120$ GeV 时，$H^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号的显著性超过 $5\sigma$。
• 在 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV 下，使用 5 ab$^{-1}$ 亮度，$\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$ 的统计精度达到 7.2\%，适用于 $M_H = 120$ GeV。
• 在 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV 下，使用 5 ab$^{-1}$ 亮度，$g_{H\mu\mu}$ 的精度提升至 $M_H = 120$ GeV 时为 4.0\%，$M_H = 140$ GeV 时为 6.2\%。
• 当 $M_H = 150$ GeV 时，$g_{H\mu\mu}$ 的精度为 10.6\%，表明性能接近 $WW$ 阈值。
• 在 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV 下，使用 5 ab$^{-1}$ 亮度，$H^0 \to \mu^+\mu^-$ 信号可延伸至 $M_H \simeq 155$ GeV，且保持 $>5\sigma$ 显著性。
• 在 3 TeV $e^+e^-$ 对撞机上，$g_{H\mu\mu}$ 确定的精度与在希格斯玻色子峰处的μ子对撞机相当，且优于 200 TeV 的 VLHC 对撞机，精度超过两倍。