[论文解读] Prospects to measure the Higgs boson properties in ATLAS

A. Dahlhoff|ArXiv.org|May 11, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文评估了ATLAS在LHC上测量希格斯玻色子性质的前景，重点关注质量、宽度、自旋、CP量子数、耦合及自耦合。利用300 fb⁻¹亮度的模拟数据，表明在400 GeV/c²以下质量范围内可实现0.1%的质量测量精度，耦合比值测量精度达10–30%，在升级后的LHC上对三线自耦合的测量精度有望达到20%。

ABSTRACT

As soon as a significant signal in one of the Higgs boson discovery channels is observed, it will be important to establish its nature. To do this, a precise measurements of its properties is important. In this article the prospects to measure the Higgs boson mass, width, spin and CP-quantum numbers, couplings to the known Standard Model particles and self-couplings by the ATLAS experiment are summarized.

研究动机与目标

• 评估ATLAS在发现之后测量希格斯玻色子性质（包括质量、宽度、自旋、CP量子数及耦合）的能力。
• 评估各种衰变道（特别是H→γγ、H→ZZ→4ℓ和H→WW）在探测自旋和CP量子数方面的灵敏度。
• 在考虑实际实验和理论系统误差的前提下，确定测量与标准模型粒子耦合比值和绝对耦合的精度。
• 探讨通过多希格斯粒子产生（特别是升级后的LHC，SLHC）测量希格斯自耦合（三线和四线）的可行性。

提出的方法

• 利用ATLAS完整模拟研究，覆盖不同质量范围内的多希格斯粒子产生和衰变道。
• 采用全局最大似然拟合方法，将各通道的测量结果结合，同时考虑实验和理论系统误差。
• 利用H→ZZ→4ℓ衰变中的角相关分布（极角和衰变平面角）来区分自旋和CP量子数。
• 分析矢量玻色子融合过程（qq→qqH→qqWW）在低质量区（mH < 200 GeV/c²）的自旋/CP分析。
• 通过HH→WWWW末态建模对希格斯自耦合的灵敏度，采用部分子级计算和探测器模拟预测。
• 预测在300 fb⁻¹（LHC）和3000 fb⁻¹（SLHC）积分亮度下的性能，通过误差传播进行精度估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100–400 GeV/c²质量范围内，利用H→γγ和H→ZZ→4ℓ衰变，希格斯玻色子质量的预期测量精度是多少？
• RQ2 ATLAS如何利用H→ZZ→4ℓ中的角相关性和矢量玻色子融合过程准确测定希格斯玻色子的自旋和CP量子数？
• RQ3 在300 fb⁻¹条件下，希格斯玻色子部分宽度和对W、Z、顶夸克、底夸克及τ轻子耦合强度的比值可达到多高的测量精度？
• RQ4 在升级后的LHC上，能否以足够灵敏度探测三线希格斯自耦合？实现20%精度测量需要多高的亮度？
• RQ5 影响耦合和自耦合测量的主要系统误差是什么？它们如何影响最终的测量精度？

主要发现

• 在300 fb⁻¹亮度和0.1%能量标度知识的假设下，希格斯玻色子质量在100–400 GeV/c²范围内的测量精度可达约0.1%。
• 对于质量高于250 GeV/c²的希格斯玻色子，其本征宽度的测量精度可达约6%，受限于探测器分辨率。
• 利用H→ZZ→4ℓ中角相关性，在质量≥250 GeV/c²时，可实现超过8σ的显著性，以区分标准模型（0⁺）的自旋和CP量子数。
• 在中等理论假设下，对W、Z、顶夸克、底夸克及τ轻子的耦合比值测量，相对不确定度在300 fb⁻¹下可控制在10%至30%之间。
• 在假设W/Z耦合上限和总宽度下限的前提下，绝对耦合测量的相对精度可达10–40%。
• 在升级后的LHC（SLHC）上，3000 fb⁻¹亮度下，预计可实现对三线希格斯自耦合（λHHH）20%的测量精度，且在150–200 GeV/c²质量范围内具有95%置信水平的灵敏度。