[论文解读] Precision Higgs coupling measurements at the LHC through ratios of production cross sections

A. Djouadi|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 14

一句话总结

本文提出利用大型强子对撞机（LHC）上Higgs粒子产生截面与分支比的比值来测量Higgs耦合，从而降低理论和实验不确定性。通过抵消共有的系统误差和理论模糊性——尤其是主导的胶子融合过程中的问题——这些比值可实现百分之一级别的精度，使其成为标准模型及其之外精确测量Higgs耦合的理想方法。

ABSTRACT

Now that the Higgs particle has been observed by the ATLAS and CMS experiments at the LHC, the next endeavour would be to probe its fundamental properties and to measure its couplings to fermions and gauge bosons with the highest possible accuracy. However, the measurements will be limited by significant theoretical uncertainties that affect the production cross section in the main production channels as well as by experimental systematical errors. Following earlier work, we propose in this paper to consider ratios of Higgs production cross sections times decay branching ratios in which most of the theoretical uncertainties and some systematical errors, such as the ones due to the luminosity measurement and the Higgs decay branching fractions, cancel out. The couplings of the Higgs particle could be then probed in a way that will be mostly limited by the statistical accuracy achievable at the LHC and accuracies at the percent level are foreseen for some of the ratios at the end of the LHC run. At the theoretical level, these ratios are also interesting as they do not involve the ambiguities that affect the Higgs total decay width in new physics scenarios. To illustrate how these ratios can be used to determine the Higgs couplings, we perform a rough analysis of the recent ATLAS and CMS data which shows that there is presently no significant deviation from the Standard Model expectation.

研究动机与目标

• 降低在14 TeV LHC上Higgs耦合测量的理论和实验不确定性。
• 在新物理情景中，最小化对Higgs总宽度和分支比模糊性的依赖。
• 利用Higgs产生和衰变通道的冗余性，构建稳健且模型无关的可观测量。
• 实现在仅受统计不确定性限制的高精度耦合测量，而非理论或亮度误差。
• 通过聚焦矢量玻色子融合（VBF）和关联产生模式，提供一种与总截面测量互补的方法。

提出的方法

• 构建不同衰变模式下Higgs产生截面与分支比的比值（例如，$D_{\gamma\gamma} = \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to \gamma\gamma) / \sigma_{\text{VBF}} \times \text{BR}(H \to WW^*)$）。
• 利用VBF主导事例（例如，$jjH \to \gamma\gamma$）来隔离胶子融合污染最小的产生模式。
• 构造如$C_{gg}^{-1} = \hat{\mu}_{\gamma\gamma jj} / \hat{\mu}_{\gamma\gamma}$之类的比值，以消除亮度和分支比不确定性。
• 将这些比值应用于ATLAS和CMS数据，提取独立于总宽度和$gg \to H$截面不确定性的耦合修正因子。
• 将$gg \to H$截面不确定性的理论估计（±20%）作为$C_{gg}^{-1}$型比值中的系统误差下限。
• 通过假设在$\sqrt{s} = 14$ TeV下积分亮度为300 fb⁻¹，预测未来精度，此时统计误差占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 Higgs产生截面与分支比的比值是否能降低Higgs耦合测量中的理论和实验不确定性？
• RQ2 这些比值在多大程度上能消除总截面测量中常见的亮度和分支比不确定性？
• RQ3 gg → H过程中的理论不确定性对耦合确定有何影响？能否通过基于比值的可观测量加以缓解？
• RQ4 VBF通道是否可用于实现独立于主导胶子融合通道的高精度耦合测量？
• RQ5 在LHC运行末期，使用300 fb⁻¹数据时，耦合比值能达到何种精度？

主要发现

• 像$D_{\gamma\gamma}$和$D_{\tau\tau}^{(jj)}$这样的比值预计在LHC运行末期可达到5%的精度，仅受统计误差限制。
• 从ATLAS数据得出的比值$C_{gg}^{-1} = c_V^2 / c_g^2 = 1.5 \times [1 \pm 0.57 \pm 0.4]$与标准模型一致，其中40%的理论不确定性占主导地位。
• 即使在数据样本庞大的情况下，gg → H截面的理论不确定性（±20%）仍是$C_{gg}^{-1}$型比值中的主要系统误差来源。
• 在VBF拓扑中的$\gamma\gamma$通道（$\hat{\mu}_{\gamma\gamma jj}$）由于$gg \to Hjj$污染，具有较大的理论不确定性（±50%），限制了其独立使用。
• 结合$D_{\gamma\gamma}$和$C_{gg}^{-1}$可实现对$c_V^2 / c_g^2$的一致确定，且模型依赖性更低。
• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下，使用300 fb⁻¹数据时，某些比值可实现亚百分之一的统计精度，使LHC在使用比值可观测量时真正成为一台精确的Higgs对撞机。