[论文解读] Probing CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$

Gang Li, Haoran Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文提出通过未来 $e^{+}e^{-}$ 对撞机上的 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 过程探测 CP 破坏性 $h\bar{t}t$ 耦合，发现在 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 且 $\xi = 3\pi/5$ 时，横截面相比标准模型最高可增强 6 倍。在 $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 条件下，信号显著性超过 5$\sigma$，且正向-反向不对称性 $A_{FB}$ 达到 0.5，尽管存在背景挑战，仍可提供清晰的 CP 破坏信号。

ABSTRACT

We investigate the possibility of probing the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in the process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$ at the future high luminosity $e^{+}e^{-}$ colliders. Our numerical results show that the cross section for this process can be significantly increased for the allowed CP phase $\xi$ and center of mass energy. For example the cross section is about 6 times of that in the standard model (SM) for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and $\xi =3\pi/5$ (see text for $\xi$ definition). The simulation for the signal process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma ightarrow b \bar{b}\gamma$ and its backgrounds shows that the signal significance can reach more than $4.8\sigma$ and $2.3\sigma$ for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}, 500~\mathrm{GeV}$ respectively, with the integrated luminosity $\mathcal{L}=3~ ext{ab}^{-1}$ and $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. For $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$, the signal significance can be greater than 5 for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and 3.9 for $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$ with the CP phase $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. Besides the cross section enhancement, the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling will induce the forward-backward asymmetry $A_{FB}$ which is absent in the SM and is a clear signal of new CP violation. Compared with the $A_{FB}$ in the Higgs decay $h ightarrow l^{+}l^{-}\gamma$, the $A_{FB}$ can be greatly enhanced in the production process. For example $A_{FB}$ can reach 0.5 for $\cos\xi\simeq 0.7$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. Due to the large backgrounds, the significance of the expected $A_{FB}$ can only be observed at $1.7\sigma$ with $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. It is essential to trigger the single photon in the final state to separate the bottom jets arising from scalar or vector bosons, in order to isolate the signal from the backgrounds more efficiently.

研究动机与目标

• 研究在未来的高亮度 $e^{+}e^{-}$ 对撞机上，通过 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 过程探测 CP 破坏性 $h\bar{t}t$ 耦合的可行性。
• 在实际的亮度和能量条件下，评估 $h \to b\bar{b}\gamma$ 最终态的信号显著性，对抗主要背景。
• 评估正向-反向不对称性 $A_{FB}$ 作为新 CP 破坏的直接探针，与标准模型 Higgs 粒衰变相区别。
• 确定最优的运动学触发策略，特别是单光子触发，以增强信号与背景的分离。

提出的方法

• 数值计算中心系能量 $\sqrt{s}$ 和 CP 相位 $\xi$ 依赖的 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 横截面。
• 对信号过程 $e^{+}e^{-} \to h\gamma \to b\bar{b}\gamma$ 以及主要的 QED 和 QCD 背景进行蒙特卡洛模拟。
• 计算 $h\gamma$ 产生过程中正向-反向不对称性 $A_{FB}$，其定义为 $A_{FB} = (\sigma_{\text{forward}} - \sigma_{\text{backward}})/(\sigma_{\text{forward}} + \sigma_{\text{backward}})$。
• 应用运动学截断和单光子触发，以抑制来自 $Z\gamma$、$W^+W^-$ 和 $q\bar{q}\gamma$ 过程的背景贡献。
• 利用 $S/\sqrt{B}$ 估算统计显著性，积分亮度分别为 $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 和 $10~\text{ab}^{-1}$。
• 分析 $\cos\xi$ 依赖性，以识别 CP 破坏效应最大的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CP 破坏性 $h\bar{t}t$ 耦合下，$e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 过程是否能显著增强横截面？
• RQ2 在 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 和 $500~\text{GeV}$ 条件下，$\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 和 $10~\text{ab}^{-1}$ 时，$h \to b\bar{b}\gamma$ 的可实现信号显著性是多少？
• RQ3 正向-反向不对称性 $A_{FB}$ 在多大程度上可作为该过程中新 CP 破坏的清晰信号？
• RQ4 单光子触发在从主要的 QCD 和电弱背景中分离信号方面有多高效？
• RQ5 信号对 CP 相位 $\xi$ 的敏感度如何，特别是在 $[\pi/2, 3\pi/5]$ 范围内？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 且 $\xi = 3\pi/5$ 时，$e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 的横截面相比标准模型约增强 6 倍。
• 在 $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 条件下，$\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 时信号显著性超过 $4.8\sigma$，$\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 时为 $2.3\sigma$，且 $\xi \in [\pi/2, 3\pi/5]$。
• 在 $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 条件下，$\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 时显著性超过 5$\sigma$，$\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 时达到 $3.9\sigma$，且 $\xi$ 范围相同。
• 在 $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 且 $\cos\xi \simeq 0.7$ 时，正向-反向不对称性 $A_{FB}$ 最高可达 0.5，这是标准模型中不存在的清晰信号。
• 尽管背景较大，但在 $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 和 $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 条件下，$A_{FB}$ 信号仍可在 $1.7\sigma$ 显著性下被观测到。
• 对最终态单光子进行触发对于有效抑制背景贡献并改善信号隔离至关重要。