[论文解读] Higgs Coupling Measurements at a 1 TeV Linear Collider

T. Barklow|ArXiv.org|Dec 18, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文研究了在1 TeV $e^+e^-$直线对撞机上对希格斯玻色子耦合的测量，表明更高的质心系能量能显著提高对稀有希格斯衰变模式的灵敏度。通过事件选择和神经网络技术，实现了对 $\sigma \cdot B_{bb}$ 和 $\sigma \cdot B_{WW}$ 测量的亚百分之一精度，从而在模型无关的前提下，以更高的精度确定分支比和总宽度，优于低能测量结果。

ABSTRACT

Methods for extracting Higgs boson signals at a 1 TeV center-of-mass energy e+e- linear collider are described. In addition, estimates are given for the accuracy with which branching fractions can be measured for Higgs boson decays to bb, WW, gluon-gluon, and gamma-gamma.

研究动机与目标

• 评估在 $\sqrt{s} = 1$ TeV 的 $e^+e^-$直线对撞机中测量希格斯玻色子耦合的可行性。
• 评估在更高能量下对 $h \to b\bar{b}$、$WW$、$gg$ 和 $\gamma\gamma$ 等稀有希格斯衰变模式的灵敏度。
• 通过结合 $\sqrt{s} = 1$ TeV 与先前 $\sqrt{s} = 350$ GeV 测量数据，提高分支比和总宽度测量的精度。
• 证明更高的能量可增强稀有衰变模式的信号率并降低统计不确定性。
• 提供一种基于截面乘以分支比测量的、用于模型无关的希格斯耦合测量的框架。

提出的方法

• 使用 WHIZARD 蒙特卡罗程序生成包含0–8费米子过程的事件，包括通过希格斯辐射和 $WW$ 融合产生的希格斯玻色子。
• 使用 PYTHIA 模拟希格斯衰变，包括QED和QCD辐射、强子化以及通过 CIRCE 参数化方法处理的束流辐射效应。
• 使用 SIMDET V4.0 对 TESLA 对撞机探测器概念进行探测器模拟。
• 基于运动学变量进行事件选择：$|\cos \theta_{\rm thrust}| < 0.95$，$100 < E_{\rm visible} < 400$ GeV，$20 < p_T^{\rm visible} < 500$ GeV。
• 利用神经网络分析将 $h \to WW$ 与 $h \to ZZ^*$ 和 $WW$ 背景分离。
• 通过最小二乘拟合方法，将 $\sqrt{s} = 1$ TeV 下的 $\sigma \cdot B_{xx}$ 测量结果与 $\sqrt{s} = 350$ GeV 数据中获得的 $B_{bb}^*$ 和 $B_{WW}^*$ 组合，以提取模型无关的分支比和总宽度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 1$ TeV 下进行的希格斯耦合测量是否能比在 $\sqrt{s} = 350$ GeV 下获得更高的精度？
• RQ2 在 $\sqrt{s} = 1$ TeV 下，对 $h \to b\bar{b}$、$gg$ 和 $\gamma\gamma$ 等稀有希格斯衰变模式的灵敏度如何？
• RQ3 在 $\sqrt{s} = 1$ TeV 下，$\sigma \cdot B_{xx}$ 测量的统计精度如何随希格斯玻色子质量变化？
• RQ4 通过结合 $\sqrt{s} = 1$ TeV 和 $\sqrt{s} = 350$ GeV 的数据，是否能以更高的精度测量总希格斯宽度和分支比？
• RQ5 $WW$ 融合在提高高能下稀有希格斯衰变信号率方面起到什么作用？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 1$ TeV、1000 fb$^{-1}$ 亮度和 $-80\%$ 电子极化条件下，对于 $M_h = 115$ GeV，$\sigma \cdot B_{bb}$ 的统计不确定性为 $\pm 0.3\%$，在 $M_h = 120$ GeV 时提升至 $\pm 0.4\%$。
• 对于 $M_h = 160$ GeV，$\sigma \cdot B_{bb}$ 的测量精度为 $\pm 1.8\%$，而对于 $M_h = 200$ GeV，精度为 $\pm 9.0\%$。
• $WW$ 衰变模式在 $M_h = 140$ GeV 时达到 $\pm 0.5\%$ 的精度，而在 $M_h = 120$ GeV 时实现亚百分之一精度（$\pm 1.3\%$）。
• $h \to gg$ 和 $h \to \gamma\gamma$ 的分支比测量在 $\sqrt{s} = 1$ TeV 下显著改善，$M_h = 115$ GeV 时 $\Delta B_{gg}/B_{gg} = \pm 2.1\%$，$M_h = 140$ GeV 时为 $\pm 6.2\%$。
• 当结合 $\sqrt{s} = 1$ TeV 和 $\sqrt{s} = 350$ GeV 数据时，$M_h = 115$ GeV 下总希格斯宽度的测量精度为 $\pm 3.5\%$，在 $M_h = 160$ GeV 时提升至 $\pm 2.0\%$。
• 对于 $M_h = 200$ GeV，$\gamma\gamma$ 模式不确定性为 $\pm 23.7\%$，但相较于低能条件下的先前限制，仍为显著改进。