[论文解读] Distinguishing `Higgs' Spin Hypotheses using gamma gamma and WW* Decays

John Ellis, Ricky Fok+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 20

一句话总结

本文提出利用 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 和 $X \to WW^*$ 衰变中的角分布来区分新发现的希格斯玻色子样粒子的自旋-0与自旋-2假设。通过使用 PYTHIA 和 Delphes 模拟并考虑真实背景，研究发现，在保守假设下，2012 年 LHC 数据可提供约 3σ 的区分能力，而在较不保守的解释下，区分能力可提升至 6σ 以上；而 $WW^*$ 和 $ZZ^*$ 衰变中规范对称性的一致性限制了通过分支比之比进行区分的能力。

ABSTRACT

The new particle X recently discovered by the ATLAS and CMS Collaborations in searches for the Higgs boson has been observed to decay into gamma gamma, ZZ* and WW*, but its spin and parity, J^P, remain a mystery, with J^P = 0^+ and 2^+ being open possibilities. We use PYTHIA and Delphes to simulate an analysis of the angular distribution of gg to X to gamma gamma decays in a full 2012 data set, including realistic background levels. We show that this angular distribution should provide strong discrimination between the possibilities of spin zero and spin two with graviton-like couplings: ~ 3 sigma if a conservative symmetric interpretation of the log-likelihood ratio (LLR) test statistic is used, and ~ 6 sigma if a less conservative asymmetric interpretation is used. The WW and ZZ couplings of the Standard Model Higgs boson and of a 2^+ particle with graviton-like couplings are both expected to exhibit custodial symmetry. We simulate the present ATLAS and CMS search strategies for X to WW* using PYTHIA and Delphes, and show that their efficiencies in the case of a spin-two particle with graviton-like couplings are a factor ~ 1.9 smaller than in the spin-zero case. On the other hand, the ratio of X_{2^+} to WW* and ZZ* branching ratios is larger than that in the 0^+ case by a factor ~ 1.3. We find that the current ATLAS and CMS results for X to WW* and X to ZZ* decays are compatible with custodial symmetry under both the spin-zero and -two hypotheses, and that the data expected to become available during 2012 are unlikely to discriminate significantly between these possibilities.

研究动机与目标

• 确定新发现的 125–126 GeV 粒子是否为自旋-0 的希格斯玻色子，或为具有引力子样耦合的自旋-2 粒子。
• 评估在真实探测器模拟下，$gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰变中角分布对区分能力的影响。
• 评估在不同自旋假设下，实验选择效率对 $X \to WW^*$ 衰变的影响。
• 在 $J^P = 0^+$ 和 $2^+$ 假设下，检验 $WW^*$ 和 $ZZ^*$ 衰变模式中与规范对称性的一致性。
• 确定利用当前搜索策略，2012 年 LHC 数据在多大程度上能显著区分自旋-0 与自旋-2 假设。

提出的方法

• 使用 PYTHIA 和 Delphes 模拟 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰变事件，考虑真实探测器效应和背景水平。
• 分析 $\gamma\gamma$ 最终态中光子的角分布，以区分 $J^P = 0^+$ 与 $2^+$ 假设。
• 应用对数似然比（LLR）检验统计量来量化区分显著性，采用对称与非对称两种解释。
• 在 $0^+$ 和 $2^+$ 假设下，模拟 ATLAS 和 CMS 的 $X \to WW^*$ 搜索策略，以比较探测效率。
• 在两种自旋假设下，评估 $X \to WW^*$ 与 $X \to ZZ^*$ 分支比的比值，以检验规范对称性。
• 基于 30 fb$^{-1}$ 的 2012 年数据，估算 $WW^*$ 和 $ZZ^*$ 率的预期统计不确定性，以评估区分潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰变中，光子的角分布是否能对 $J^P = 0^+$ 与 $2^+$ 假设提供显著区分？
• RQ2 在 $0^+$ 与 $2^+$ 自旋假设下，当前 ATLAS 和 CMS 的 $WW^*$ 搜索策略的探测效率有何差异？
• RQ3 在 $0^+$ 与 $2^+$ 假设下，$X \to WW^*$ 与 $X \to ZZ^*$ 分支比的比值是否与规范对称性一致？
• RQ4 在约 30 fb$^{-1}$ 的积分亮度下，2012 年 LHC 数据在多大程度上能区分自旋-0 与自旋-2 假设？
• RQ5 在当前实验截断和背景水平下，$X \to WW^*$ 衰变中的动量关联是否可用于区分自旋赋值？

主要发现

• 在 LLR 检验统计量的保守对称解释下，$gg \to X \to \gamma\gamma$ 衰变中的角分布可提供约 3σ 的 $J^P = 0^+$ 与 $2^+$ 假设之间的区分能力。
• 在较不保守的非对称解释下，同一套 2012 年数据的区分显著性可提升至 6σ 以上。
• 对于具有引力子样耦合的自旋-2 粒子，ATLAS 和 CMS 的 $WW^*$ 搜索策略效率相比自旋-0 希格斯玻色子降低了约 1.9 倍。
• $X_{2^+} \to WW^*$ 与 $X_{2^+} \to ZZ^*$ 分支比的比值约为 $X_{0^+}$ 的 1.3 倍，部分抵消了效率损失。
• 当前 ATLAS 和 CMS 对 $WW^*$ 和 $ZZ^*$ 衰变率的测量在 $0^+$ 和 $2^+$ 假设下均与规范对称性一致，2012 年数据预计不会带来显著改进。
• 外推至 30 fb$^{-1}$ 的 2012 年数据，规范对称性偏离超过 1$\sigma$ 的可能性较低，限制了通过此通道进行区分的能力。