[论文解读] Measurement of Higgs couplings and self-coupling at the ILC

Junping Tian, H. Fujii|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种在国际线性对撞机（ILC）上实现希格斯玻色子耦合与自耦合精确测量的模型无关策略，采用在250 GeV、500 GeV和1 TeV能量下分阶段运行并收集高亮度数据。通过结合包含式反冲质量测量与截面和分支比数据的全局拟合，ILC在关键耦合上的精度达到亚百分之一水平，其中在1 TeV能量下，希格斯自耦合的预期不确定性为1.9%，在亮度升级后实现。

ABSTRACT

In the Standard Model (SM) the couplings of the Higgs boson to SM particles and itself (self-couplings) are uniquely specified once the masses of the particles in question as well as the Higgs boson mass are given. Precision measurements of these couplings in the future collider experiments are the key to either verifying the mechanism of the electroweak symmetry breaking in the SM or uncovering physics beyond the SM. This article gives an overview of how various Higgs couplings will be measured at the ILC. Emphasis is put on the ILC's capability of performing fully model independent determination of absolute $HZZ$ and $HWW$ couplings, the Higgs total width, and hence various other Higgs couplings, which cover essentially all the crucial ones including the top-Yukawa coupling $Htt$ and the trilinear Higgs self-coupling $λ_{HHH}$. The strategy to get the best precision measurements at the ILC is through staged running, which provides many independent $σ imes\mathrm{Br}$ measurements for different production channels and at different energies. A method of global fitting is discussed to utilize all of the available information and to derive combined precisions.

研究动机与目标

• 在ILC上实现对希格斯耦合与自耦合的模型无关确定，以检验标准模型中电弱对称性自发破缺机制。
• 通过实现无需理论假设的绝对耦合测量，克服LHC测量的局限性。
• 提供一个完整且精确的希格斯物理计划，与LHC形成互补，重点聚焦于Z、W、顶夸克、光子的耦合以及自耦合。
• 证明在1 TeV能量下，通过双希格斯粒子产生，可实现对希格斯自耦合的亚10%精度测量。
• 建立一个全局拟合框架，整合不同能量与产生模式下的多个独立测量，以实现最优精度。

提出的方法

• 采用在250 GeV、500 GeV和1 TeV能量下的分阶段运行，收集多种希格斯产生通道的数据：希格斯辐射过程（e⁺e⁻ → ZH）、WW融合过程（e⁺e⁻ → νν̄H）以及ZZ融合过程（e⁺e⁻ → e⁺e⁻H）。
• 在Z → μ⁺μ⁻衰变中应用反冲质量重建，以测量e⁺e⁻ → ZH的绝对截面，从而实现对gHZZ耦合的模型无关提取。
• 应用全局χ²拟合，将不同产生与衰变模式下的独立σ × Br测量结果结合，其中预测值由耦合常数与希格斯总宽度参数化。
• 使用理论因子Fi将测量截面与耦合乘积关联，从而在无需假设的前提下提取gHZZ、gHWW、gHtt与ΓH。
• 应用关系式δλ/λ ≈ 0.76 × (δσ/σ)（对应νν̄HH过程）与δλ/λ ≈ 1.66 × (δσ/σ)（对应ZHH过程），从双希格斯粒子产生截面中估算自耦合精度。
• 通过完整的探测器模拟，评估HH → bbb̄b̄与HH → bbb̄W*衰变模式在500 GeV与1 TeV能量下的自耦合灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC能否在不依赖理论假设的前提下，实现对希格斯耦合（包括gHZZ与gHWW）的模型无关测量？
• RQ2 在ILC上，通过双希格斯粒子产生，对希格斯自耦合λHHH的可实现精度是多少？
• RQ3 在多个质心系能量下分阶段运行如何提升对希格斯耦合与总宽度的全局确定精度？
• RQ4 通过整合多个独立可观测量，全局拟合方法在多大程度上可降低希格斯耦合测量的不确定性？
• RQ5 ILC对希格斯耦合中偏离标准模型的偏差（特别是顶-Yukawa耦合与希格斯自耦合）具有多高的灵敏度？

主要发现

• 在亮度升级场景下，ILC在500 GeV与1 TeV能量下对gHZZ耦合的预期精度为0.51%。
• 在亮度升级场景下，gHWW耦合在1 TeV能量下的测量精度预计可达0.56%，显著优于LHC的约束水平。
• 在亮度升级场景下，顶-Yukawa耦合gHtt在1 TeV能量下的测量精度预计为1.9%，可实现对顶夸克在电弱对称性自发破缺中作用的敏感检验。
• 在亮度升级场景下，希格斯自耦合λHHH在1 TeV能量下的测量精度预计为13%，使其可被用于探测标准模型之外的新物理。
• 在亮度升级场景下，希格斯总宽度ΓH在1 TeV能量下的确定精度预计为2.3%，对耦合测量的一致性检查至关重要。
• 全局拟合方法成功整合了不同能量与通道的测量结果，降低了不确定性，并实现了对全部10个希格斯参数（9个耦合与ΓH）的完全模型无关确定。