[论文解读] Extracting Higgs Boson Couplings from LHC Data

Heather E. Logan|ArXiv.org|Sep 2, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出一种方法，通过利用理论约束来克服因测量不完整导致的参数退化问题，从LHC数据中提取希格斯玻色子耦合。通过假设WW和ZZ耦合的上限（与多Higgs双峰模型一致），在高质质量下实现了对希格斯耦合平方的10–25%精度，其中WBF通道在灵敏度方面起关键作用，特别是在MSSM情形下，利用高亮度数据可在MA ≈ 350 GeV处以5σ显著性检测到与标准模型希格斯行为的偏离。

ABSTRACT

We show how LHC Higgs boson production and decay data can be used to extract the gauge and fermion couplings of the Higgs boson. Incomplete input data leads to parameter degeneracies, which can be lifted by imposing theoretical assumptions. We show how successive theoretical assumptions affect the parameter extraction, starting with a general multi-Higgs doublet model and finishing with specific supersymmetric scenarios.

研究动机与目标

• 解决由于LHC数据不完整（特别是不可观测的衰变和缺失的产生截面测量）导致的希格斯耦合测量中的参数退化问题。
• 通过应用温和的理论约束（如对希格斯玻色子与W和Z玻色子耦合的上限）来减小单个耦合测量的不确定性。
• 通过结合多个生产与衰变道的LHC数据，在多Higgs双峰和MSSM情形下提高希格斯耦合的测量精度。
• 评估LHC在非最小模型希格斯行为（特别是解耦极限下）对MSSM中偏离标准模型的敏感度。

提出的方法

• 结合多个末态中的LHC产生与衰变道——胶子融合、弱玻色子融合、与W/Z的联合产生以及顶夸克关联产生。
• 应用理论约束：对希格斯玻色子与W和Z玻色子耦合的上限（≤1.05倍SM值），从而实现对总宽度的模型无关约束。
• 对三种亮度情景（30、300和混合100 fb⁻¹，其中100 fb⁻¹可用于WBF）的LHC数据进行χ²拟合，结合两台探测器的数据以增强统计量。
• 纳入系统不确定性，包括亮度归一化、探测效率和理论截面不确定性。
• 采用灵活的拟合框架，通过有效部分宽度引入新物理贡献，适用于隐形或奇异衰变。
• 将WBF通道作为关键探测工具，因其在高亮度条件下对总宽度和耦合比值提供关键约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 当无法直接测量所有衰变模式和产生截面时，如何从LHC数据中提取希格斯玻色子耦合？
• RQ2 理论假设（如WW/ZZ耦合的上限）在多大程度上能缓解希格斯耦合测量中的参数退化？
• RQ3 LHC对MSSM中偏离标准模型希格斯行为的敏感度如何，特别是在解耦极限下？
• RQ4 WBF通道如何在约束总希格斯宽度和提升耦合精度方面发挥作用？
• RQ5 哪些亮度情景和数据组合在实现高精度希格斯耦合测量方面最为有效？

主要发现

• 在混合亮度情景下（100 fb⁻¹可用于WBF），当mH > 160 GeV时，对W和Z玻色子的耦合平方的相对精度达到10%，在较低质量下为25%。
• 对顶夸克和τ轻子耦合平方的精度约为30%，而底夸克耦合平方的最小精度为40%。
• 在MSSM m_h^max情景下，利用高亮度数据，LHC可在MA ≈ 350 GeV之前以5σ显著性区分最轻的希格斯玻色子与标准模型希格斯玻色子。
• WBF通道是灵敏度的主要来源，因为排除它们会显著降低灵敏度，完整拟合对最优约束至关重要。
• 对WW/ZZ耦合施加理论约束，可实现对总希格斯宽度的稳健约束，从而提升其他所有耦合测量的精度。
• 高亮度情景的精度与混合情景相当，且在τ耦合提取方面有显著改进，凸显了高统计量对费米子耦合的重要性。