[论文解读] Higgs measurement at e+e- circular colliders

M. Q. Ruan|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出在未来的e⁺e⁻对撞机（FCC-ee和CEPC）上实现高精度的希格斯玻色子测量，利用中心系能量接近240 GeV时的希格斯辐射和矢量玻色子融合过程。在5–10年的运行中，累积亮度达5–10 ab⁻¹，这些对撞机可实现对希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合、希格斯宽度以及分支比（低至千分之一水平）的亚百分之一精度测量，从而探测多TeV尺度的新物理。

ABSTRACT

Now that the mass of the Higgs boson is known, circular electron positron colliders, able to measure the properties of these particles with high accuracy, are receiving considerable attention. Design studies have been launched (i) at CERN with the Future Circular Colliders (FCC), of which an e+e- collider is a potential first step (FCC-ee, formerly caller TLEP) and (ii) in China with the Circular Electron Positron Collider (CEPC). Hosted in a tunnel of at least 50 km (CEPC) or 80-100 km (FCC), both projects can deliver very high luminosity from the Z peak to HZ threshold (CEPC) and even to the top pair threshold and above (FCC-ee). At the ZH production optimum, around 240 GeV, the FCC-ee (CEPC) will be able to deliver 10 (5) ab-1 integrated luminosity in 5 (10) years with 4 (2) interaction points: hence to produce millions of Higgs bosons through the Higgsstrahlung process and vector boson fusion processes. This sample opens the possibility of subper- cent precision absolute measurements of the Higgs boson couplings to fermions and to gauge-bosons, and of the Higgs boson width. These precision measurements are potentially sensitive to multi-TeV range new physics interacting with the scalar sector. The ZH production mechanism also gives access to the invisible or exotic branching ratios down to the per mil level, and with a more limited precision to the triple Higgs coupling. For the FCC-ee, the luminosity expected at the top pair production threshold (sqrt(s) ~ 340-350 GeV) further improves some of these accuracies significantly, and is sensitive to the Higgs boson coupling to the top quark.

研究动机与目标

• 通过高亮度e⁺e⁻对撞，实现对希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合的亚百分之一精度测量。
• 通过在Z反常阈值处的共振产生，高精度测定希格斯玻色子宽度。
• 利用ZH产生过程，将对希格斯玻色子的隐形或奇异衰变分支比探测至千分之一水平。
• 通过在顶夸克对阈值附近的高能运行，探测三重希格斯耦合与顶夸克Yukawa耦合。
• 评估未来环形e⁺e⁻对撞机在标量 sector 中对标准模型之外新物理的敏感度。

提出的方法

• 在中心系能量√s ≈ 240 GeV处利用希格斯辐射过程（e⁺e⁻ → ZH）产生数以百万计的希格斯玻色子。
• 在同一能量下采用矢量玻色子融合（VBF）过程以增强希格斯信号的探测灵敏度。
• 通过在4或2个相互作用点上运行5–10年，实现5–10 ab⁻¹的高积分亮度，以获得统计精度。
• 利用重建的希格斯衰变末态（包括隐形衰变）进行绝对耦合测量。
• 将测量扩展至√s ≈ 340–350 GeV，以探测顶夸克对产生，并提高对顶夸克Yukawa耦合的敏感度。
• 应用精确重建技术，从线形和运动学分布中提取希格斯宽度与三重希格斯耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未来的e⁺e⁻环形对撞机上，希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合的可实现测量精度是多少？
• RQ2 能否通过ZH共振产生实现希格斯玻色子宽度的亚百分之一精度测量？
• RQ3 利用ZH事例，对隐形或奇异希格斯分支比的探测水平可达到何种程度？
• RQ4 这些对撞机对三重希格斯耦合与顶夸克Yukawa耦合的敏感度如何？
• RQ5 这些对撞机在发现或约束标准模型之外新物理方面的潜力是什么？

主要发现

• CEPC和FCC-ee分别在10年和5年内可分别实现5 ab⁻¹和10 ab⁻¹的积分亮度，从而产生数以百万计的希格斯玻色子。
• 在ZH产生峰处，可实现对希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合的亚百分之一精度绝对测量。
• 由于ZH阈值处的尖锐共振结构，可高精度测量希格斯玻色子宽度。
• 利用ZH事例，可将隐形和奇异分支比探测至千分之一水平。
• 在√s ≈ 340–350 GeV的顶夸克对产生阈值附近，显著提高了对顶夸克Yukawa耦合的探测灵敏度。
• 通过精确测量耦合与宽度，实验对多TeV尺度的新物理效应在标量 sector 中具有敏感度。