[论文解读] Exploring BSM Higgs couplings in single top-quark production

Manfred Kraus, Till Martini+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用 8

一句话总结

本文研究了在 $t$-通道 $pp \to tH$ 过程中通过单顶夸克产生探测的CP破坏性BSM希格斯耦合，利用矩阵元方法从模拟的LHC数据中提取CP混合角 $\alpha$。在 $300~\text{fb}^{-1}$ 的亮度和 $3\%$ 信号效率下，可实现 $3\sigma$ 的信号显著性，尽管截面较小且背景复杂，仍可在高亮度LHC阶段实现发现潜力。

ABSTRACT

In this article we study a Standard Model extension modifying the top-quark Yukawa coupling to the Higgs boson by allowing a mixture of CP-odd and -even couplings. Single top-quark production in association with an additional Higgs boson provides a natural laboratory to search for such extensions. However, because of the small cross section the experimental analysis is challenging. Already the measurement of the cross section for this process is highly non-trivial. Furthermore, using only cross section measurements, a certain parameter region would escape detection. Using an explicit BSM scenario we show that employing the Matrix Element Method a precise measurement becomes feasible. Ignoring signal detection efficiencies an integrated luminosity of about 20 fb^-1 would allow a discovery. Assuming signal detection efficiencies at the level of a few percent a potential signal could be established in the high luminosity phase of the LHC.

研究动机与目标

• 研究通过CP奇和CP偶希格斯混合探测顶夸克Yukawa耦合偏离标准模型的偏离。
• 解决由于截面小且背景复杂，难以探测 $pp \to tH$ 过程的挑战。
• 在CP破坏的连续参数化BSM情景下，展示利用矩阵元方法测量CP混合角 $\alpha$ 的可行性。
• 评估实现 $5\sigma$ 发现所需的亮度，以及信号探测效率对灵敏度的影响。

提出的方法

• 该研究采用具有CP破坏性顶夸克Yukawa耦合的BSM模型，通过混合角 $\alpha$ 参数化，同时保持顶夸克质量固定。
• 应用矩阵元方法从强子末态重建基本部分子过程，从而精确提取事件级动量分布中的CP混合角。
• 基于NLO QCD的矩阵元计算构建似然函数，系统不确定性通过尺度变化估算。
• 统计不确定性通过负对数似然函数在最小值附近的曲率推导，系统不确定性则通过变化因子化和重整化尺度进行评估。
• 分析假设了现实的信号探测效率为 $3\%$，反映了识别 $tH$ 事例的实验挑战。
• 针对多个亮度情景（$36$、$80$ 和 $300~\text{fb}^{-1}$）进行模拟，以预测灵敏度和不确定性的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实实验条件下，矩阵元方法能否在 $pp \to tH$ 过程中探测到 $\alpha \approx 22.5^\circ$ 的CP混合角？
• RQ2 在高亮度LHC阶段，对于 $3\%$ 信号探测效率的BSM信号，是否可实现 $3\sigma$ 显著性？
• RQ3 实现单顶夸克产生中CP破坏性BSM效应的 $5\sigma$ 发现，需要多少积分亮度？
• RQ4 随着亮度增加，CP混合角的统计和系统不确定性如何演化？
• RQ5 仅靠截面测量能否区分SM与 $\alpha \leq 25^\circ$ 的BSM情景？

主要发现

• 在 $300~\text{fb}^{-1}$ 积分亮度和 $3\%$ 信号探测效率下，对于 $\alpha = 22.5^\circ \pm 0.9^\circ$（统计不确定性）的BSM情景，可实现 $3\sigma$ 信号显著性。
• CP混合角的统计不确定性随 $1/\sqrt{L}$ 减小，在 $300~\text{fb}^{-1}$ 时达到 $\pm 0.9^\circ$，而系统不确定性保持约 $\pm 0.7^\circ$ 不变。
• 若忽略信号探测效率，$\sim 20~\text{fb}^{-1}$ 数据即可实现 $5\sigma$ 发现，但考虑 $3\%$ 效率时则需 $300~\text{fb}^{-1}$。
• 当 $L \approx 425~\text{fb}^{-1}$ 以上时，分析受理论不确定性（系统）限制，表明数据收集的效益存在实际上限。
• 对于混合角高达 $25^\circ$ 的情况，仅靠截面测量无法区分SM与BSM情景，凸显了开展微分分析的必要性。
• 在足够亮度和理论预测稳定的前提下，矩阵元方法可长期以 $\pm 0.7^\circ$ 的绝对精度提取CP混合角。