[论文解读] Probing Higgs couplings at LHC and beyond

Biplob Bhattacherjee, Tanmoy Modak+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出在14 TeV LHC上利用黄金衰变道$H \to ZZ^* \to 4\ell$对希格斯玻色子耦合进行精确分析，聚焦于角分布不对称性以探测$HZZ$耦合中的CP破坏效应和动量依赖性。结果表明，角观测量可区分标准模型希格斯玻色子、CP奇态混合以及高阶导数CP偶态贡献，且在300 fb$^{-1}$和3000 fb$^{-1}$亮度下对耦合比值和相对相位具有探测灵敏度。

ABSTRACT

The study of the Higgs couplings following its discovery is the priority of future LHC runs. A hint of anomalous nature will be exhibited via its coupling to the Standard Model(SM) particles and open up new domain of phenomenological study of physics beyond the Standard Model. The enhanced statistics from next LHC runs will enable entry into the precision era to study the properties of Higgs with greater details. In this paper we present how one can extract Higgs couplings in future LHC runs at 14 TeV via $H ightarrow Z Z^* ightarrow 4 \ell$, using observables constructed from angular distributions for the Standard Model Higgs and Higgs with mixed CP configuration. We show how angular asymmetries can be used to measure the ratios of the couplings and the relative phases at LHC. We benchmark our analysis finding out the angular asymmetries and the best fit values of the ratios of the couplings for SM Higgs, CP-odd admixture, CP-even higher derivative contribution and when CP-even higher derivative contribution and CP-odd admixture are both present. In the Standard Model, $HZZ$ couplings have no momentum dependence. It is thus essential to demonstrate the momentum independence of the couplings to establish the couplings are SM like in nature. In this work we show how one can test the momentum independence of the Standard Model like coupling using angular asymmetries. We develop the necessary tools and demonstrate how to study the momentum dependence can be studied at future LHC runs.

研究动机与目标

• 开发对$HZZ$顶点中CP奇态与CP偶态异常耦合敏感的角不对称观测量。
• 将$HZZ$耦合的动量无关性作为标准模型特性的标志进行检验。
• 利用角分布区分标准模型希格斯玻色子、CP奇态混合以及高阶导数CP偶态贡献。
• 通过高亮度LHC下角不对称性的卡方分析确定耦合比值与相对相位。
• 为未来LHC运行，对300 fb$^{-1}$和3000 fb$^{-1}$亮度下的角观测量灵敏度进行基准测试。

提出的方法

• 利用螺旋幅和横向幅，从$H \to ZZ^* \to (\ell_1^-\ell_1^+)(\ell_2^-\ell_2^+)$的微分衰变率构造角不对称观测量。
• 推导观测量$\mathcal{T}_1, \mathcal{T}_2, \mathcal{U}_1, \mathcal{U}_2, \mathcal{V}_1, \mathcal{V}_2$关于不变质量$q_1^2, q_2^2$和耦合参数的表达式。
• 采用Wigner D函数形式描述在希格斯玻色子静止参考系中末态轻子的角分布。
• 实施似然函数与卡方分析，从角不对称性中提取耦合比值与相对相位。
• 对四种情形进行灵敏度基准测试：标准模型希格斯玻色子、CP奇态混合、CP偶态高阶导数贡献及其组合。
• 在CP奇态混合中引入复相位，通过角不对称性评估相位敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$H \to ZZ^* \to 4\ell$衰变道中，角不对称性能否区分纯标准模型希格斯玻色子与含CP奇态混合的希格斯玻色子？
• RQ2 角不对称性如何用于探测$HZZ$耦合的动量依赖性，并检验其标准模型特性？
• RQ3 角观测量对$HZZ$顶点中高阶导数CP偶态贡献的存在具有多大灵敏度？
• RQ4 角不对称性能否解析CP奇态混合希格斯态中的相对相位？
• RQ5 在300 fb$^{-1}$和3000 fb$^{-1}$亮度下，SM、CP奇态、CP偶态及混合CP情形下的最佳拟合耦合比值有何差异？

主要发现

• 角不对称性为$HZZ$耦合中CP奇态混合提供了清晰探测手段，其信号模式与标准模型明显不同。
• 该分析在300 fb$^{-1}$亮度下即具备探测CP奇态混合的灵敏度，且在3000 fb$^{-1}$亮度下分辨率进一步提升。
• 通过角观测量约束了耦合比值$\kappa_{\gamma\gamma}/\kappa_{ZZ}$，偏离标准模型的偏差可指示新物理。
• CP奇态混合中复相位的存在可通过特定角不对称性测量，实现相位重建。
• 在高亮度下，该方法成功区分了$HZZ$顶点中的CP偶态高阶导数贡献与CP奇态混合。
• 通过角不对称性检验了$HZZ$耦合的动量无关性，当不存在异常贡献时，结果确认其符合标准模型行为。