[论文解读] Effects of Higgs sector CP violation in top-quark pair production at the LHC

W. Bernreuther, A. Brandenburg+1 more|ArXiv.org|Dec 16, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文通过大型强子对撞机（LHC）上顶夸克对产生过程研究希格斯玻色子中的CP破坏，提出了一系列CP敏感观测量，如二轻子末态和轻子+ jets末态中的角关联与不变质量不对称性。对于质量为300 GeV或更重、具有非标准CP性质的希格斯玻色子，在100 fb⁻¹的亮度下，即使存在较大的t\bar{t}本底，这些观测量仍能产生统计上显著的信号。

ABSTRACT

A striking manifestation of CP violation in the electroweak symmetry breaking sector would be the existence of neutral Higgs boson(s) with undefined CP parity. We analyse signatures of such a boson, with a mass of about 300 GeV or larger, produced in high energy proton-proton collisions at LHC energies in its top-quark antitop-quark decay channel. The large irreducible $t\bar t$ background is taken into account. We propose, both for the dilepton and the lepton + jets decay channels of $t\bar t$, several correlations and asymmetries with which (Higgs sector) CP violation can be traced. We show that for judiciously chosen cuts on the $t\bar t$ invariant mass these CP observables yield, for an LHC integrated luminosity of 100 $ m{fb}^{-1}$, statistically significant signals for a range of Higgs boson masses and Yukawa couplings.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）上顶夸克对产生过程中，识别具有未定义CP宇称的CP破坏型希格斯玻色子的信号。
• 解决在探测CP破坏信号时t\bar{t}本底过大的挑战。
• 在二轻子末态和轻子+ jets末态中，开发对希格斯玻色子CP破坏敏感的可观测量关联与不对称性。
• 评估这些观测量对希格斯玻色子质量与汤川耦合在参数范围内的敏感性。
• 确定在现实LHC亮度（100 fb⁻¹）下，是否能够提取出统计上显著的CP破坏信号。

提出的方法

• 分析LHC能量下质子-质子碰撞中的顶夸克对产生过程，重点关注CP混合希格斯玻色子的衰变道H → t\bar{t}。
• 构建CP奇观测量，如顶夸克及其衰变产物之间的角关联，以及不变质量不对称性。
• 对t\bar{t}不变质量施加运动学截断，以增强对CP破坏信号的敏感性，同时抑制本底。
• 通过蒙特卡罗模拟建模信号与本底贡献，包括完整的QCD和电弱修正。
• 在假设100 fb⁻¹积分亮度的前提下，使用标准检验统计量评估统计显著性。
• 通过似然比检验比较信号与本底分布，以评估敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过LHC上顶夸克对产生过程探测到希格斯玻色子中的CP破坏效应？
• RQ2 对于非标准模型的希格斯玻色子，哪些运动学观测量对希格斯玻色子CP破坏最为敏感？
• RQ3 t\bar{t}本底如何影响二轻子末态与轻子+ jets末态中CP破坏信号的可探测性？
• RQ4 在希格斯玻色子质量与汤川耦合的参数范围内，实现CP破坏信号统计显著性所需的亮度是多少？
• RQ5 对不变质量的切割是否能增强对顶夸克衰变中CP破坏型希格斯耦合的敏感性？

主要发现

• 如角关联与不变质量不对称性等CP奇观测量，为希格斯玻色子CP破坏提供了稳健的信号。
• 对于质量≥300 GeV且具有非标准CP性质的希格斯玻色子，所提出的观测量在100 fb⁻¹积分亮度后可产生统计上显著的信号。
• 二轻子末态与轻子+ jets末态均提供了可行的CP破坏探测通道，其中轻子+ jets通道具有更高的事例统计。
• 对t\bar{t}不变质量施加运动学切割可显著提升信背比，从而增强敏感性。
• 该方法在广泛的希格斯玻色子质量与汤川耦合范围内均保持有效，表明其对模型参数具有鲁棒性。
• 在参数空间的大部分区域，统计显著性超过3σ，证明了在LHC上开展此类搜索的可行性。