[论文解读] On the determination of the structure of the scalar Higgs boson's couplings to vectorbosons

C. P. Buszello, Peter Marquard+1 more|ArXiv.org|Jun 16, 2004

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一句话总结

该论文提出了一种在LHC上对H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻衰变中的角关联进行最大似然分析，以确定标量希格斯玻色子与规范玻色子之间的耦合结构。通过使用完整的LO矩阵元并包含所有衰变角关联，证明了在ZZ阈值以上，非标准耦合Y和P可被高精度同时测量，利用300 fb⁻¹的亮度，对于Higgs质量大于150 GeV的情况，95%置信度极限达到约0.1的量级。

ABSTRACT

In this paper we investigate the determination of the coupling structure of a Higgs boson at the LHC using angular correlations in the decay chain H -> ZZ -> 4l. We consider the most general couplings of a scalar to spin 1 particles and compare the angular correlations of the decay products using a maximum likelihood method. We use the full information from the LO matrix element including all posible correlations between the decay angles. In our analysis we include all possible mixings between the different coupling structures. We conclude that the coupling structure can in general be determined using this approach. But it has to be noted, that for Higgs boson masses below the ZZ-threshold the analysis is statistically limited. For higher Higgs boson masses reasonably strong limits on non standard couplings can be achieved at the LHC using the full integrated luminosity of 300 fb^-1.

研究动机与目标

• 通过H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻衰变中的角关联，确定标量希格斯玻色子与规范玻色子之间的完整耦合结构。
• 通过包含混合态和非CP本征态耦合，扩展先前仅考虑纯CP本征态的分析。
• 量化LHC对非标准模型耦合Y和P相对于SM耦合X的敏感度。
• 利用真实的探测器模拟和背景建模，建立对异常耦合的现实排除限。
• 为在LHC发现希格斯样粒子后测量HZZ耦合结构提供一个框架。

提出的方法

• 采用包含三个独立耦合的通用有效拉格朗日量：X（SM类似）、Y（横向）和P（P-奇、CP-奇）。
• 对完整的三重微分截面dσ/dcosθ₁dcosθ₂dφ应用最大似然方法，包含所有角关联。
• 将SM耦合X固定为1，并测量归一化参数Y' = R_Y·Y和P' = R_P·P，以确保所有类型耦合的强度相等。
• 使用探测器模拟（ATLAS-ATLFAST）和通过边带方法的背景减法，对真实信号和背景分布进行建模。
• 对轻子pT、伪快度、质量窗（m₁₂）和阈值（m₃₄）施加选择，按Higgs质量优化以提高信号纯度。
• 通过宽度等价性归一化耦合强度：R_P = √(Γ_SM / Γ_P)，R_Y = √(Γ_SM / Γ_Y)，确保不同耦合具有可比的物理强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻衰变中的角关联，确定包括混合态在内的希格斯玻色子与规范玻色子之间的完整耦合结构？
• RQ2 在LHC上，利用300 fb⁻¹的积分亮度，非标准耦合Y和P的联合测量精度能达到多高？
• RQ3 探测器效应和背景贡献如何影响对异常HZZ耦合的测量？
• RQ4 LHC对ZZ阈值以下和以上区域的非标准耦合的统计敏感度如何？
• RQ5 Y-P平面中的V形排除轮廓如何反映混合耦合与SM耦合之间的退简并性？

主要发现

• 即使存在非标准耦合Y和P，仍可通过H → ZZ → l⁺l⁻l⁺l⁻衰变中的角关联确定希格斯玻色子与规范玻色子之间的耦合结构。
• 对于Higgs质量高于ZZ阈值（≥150 GeV）的情况，LHC可利用300 fb⁻¹亮度实现对非标准耦合Y'和P'的95%置信度排除限，约为0.1。
• 在ZZ阈值以下，由于事例率降低，测量受统计限制，灵敏度较弱。
• Y'-P'平面上的V形排除轮廓源于Y和P耦合的组合可模拟SM耦合X，导致退简并性。
• 探测器效应和背景畸变对似然分布的影响较小，因为非标准耦合的贡献较小。
• 结果是保守的，因其基于LO矩阵元而未包含K因子；若引入高阶修正，灵敏度可能提高约√K倍。