[论文解读] Higgs couplings and BSM physics: Run I Legacy constraints

Jean-Baptiste Flament|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于环图过程的Higgs玻色子耦合参数化方法，利用第一阶段LHC数据对标准模型之外（BSM）的物理进行约束。通过将CMS和ATLAS的实验信号强度重新加权至一个与模型无关的框架，该研究得出了对BSM模型（尤其是涉及环中存在新重粒子的模型）更紧致的约束，表明历史分析可提高灵敏度，尤其对Little Higgs和最简Little Higgs模型而言效果显著。

ABSTRACT

We consider the Higgs boson decay processes and its production including all Run I results, through a parametrisation tailored for testing models of new physics beyond the Standard Model, and complementary to the one used by the LHC working groups. Different formalisms allow to best address different aspects of the Higgs boson physics. The choice of a particular parametrisation depends on a non-obvious balance of quantity and quality of the available experimental data, envisaged purpose for the parametrisation and degree of model independence, importance of the radiative corrections, and scale at which new particles appear explicitly in the physical spectrum. The most refined constraints can only be obtained by the experimental collaborations at present, as information about correlation between the various uncertainties on the different decay modes is not completely available in the public domain. It is therefore important that different approaches are considered and that the most detailed information is made available to allow testing the different aspects of the Higgs boson physics and the possible hints of physics beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 提供一种对环图过程敏感的Higgs耦合参数化方法，使与BSM理论的直接比较成为可能。
• 通过利用ATLAS和CMS第一阶段全部历史数据（包括不确定性之间的相关性），改进对BSM模型的约束。
• 证明历史分析相较于早期初步结果能提供更紧致且更精确的限制，尤其适用于环中存在新重粒子的模型。
• 为理论物理学家提供一种实用且计算高效的工具，可在无需进行完整模型特异性计算的情况下，将BSM模型与实验数据进行对比。
• 强调公开获取详细实验协方差信息对于稳健的全局拟合与模型检验的重要性。

提出的方法

• 采用基于有效环振幅而非树图耦合的环图导向型Higgs耦合参数化方法，针对光子和胶子的耦合。
• 应用有效拉格朗日量方法，计算H→γγ和H→gg的分支宽度，同时包含QCD和电弱修正。
• 从CMS和ATLAS第一阶段历史结果中重构实验信号强度（μ），通过χ²全局拟合来约束κ参数。
• 实施两种统计方法：一种假设χ²分布具有6个自由度（与模型无关），另一种使用与模型参数数量相匹配的n自由度（基于Wilks定理）。
• 对多个衰变道的信号强度进行全局拟合，同时考虑不同末态之间不确定性的相关性。
• 将历史分析结果与早期初步结果进行比较，以评估灵敏度的提升和中心值的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 与早期初步结果相比，第一阶段历史数据对Higgs玻色子与光子和胶子耦合的约束有何不同？
• RQ2 与树图参数化相比，基于环图过程的与模型无关的Higgs耦合参数化在提升对BSM物理的灵敏度方面有多大改善？
• RQ3 哪些BSM模型（如Little Higgs、UED、色八重态、W′）受到历史Higgs数据的最强约束？这些约束如何随数据质量提升而演变？
• RQ4 为何某些模型（如色八重态、UED）在历史分析中约束较松，而早先结果更紧？这反映了该方法灵敏度的何种特性？
• RQ5 在全局拟合中，使用与模型参数数量匹配的n自由度的χ²方法，是否能提供比6自由度近似更紧致且更可靠的约束？

主要发现

• ATLAS和CMS的历史分析结果相较于早期初步结果，对Higgs耦合的约束更紧致且更精确，中心值更接近标准模型预测。
• 在n自由度假设下，最简Little Higgs模型和最简Little Higgs模型分别在580 GeV和690 GeV处以95%置信水平排除W′质量。
• 在n自由度方法下，色八重态模型在标量质量高于925 GeV时以95%置信水平被排除，但历史结果的约束弱于早期分析。
• 在n自由度假设下，UED模型在KK标度高于530 GeV时以95%置信水平被排除，相比先前结果灵敏度有所提升。
• 该参数化方法成功捕捉到由于数据质量提升和协方差信息改进所导致的约束偏移，验证了其在BSM模型检验中的适用性。
• 本研究证实，基于环图过程的与模型无关的参数化方法在约束BSM模型方面非常有效，尤其适用于那些新重粒子通过H→γγ和H→gg环图贡献的模型。