[论文解读] Use of $Z$ polarization in $e^+e^- o ZH$ to measure the triple-Higgs coupling

K. Rao, Saurabh D. Rindani+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 3

一句话总结

该论文提出利用 $e^+e^- \to ZH$ 中极化 Z 玻色子衰变产生的带电轻子的方位角角不对称性，独立于树图级 ZZH 耦合，分离并测量由圈图贡献的异常三重希格斯耦合。该方法利用一种时间反演奇的不对称性，仅对振幅的虚部敏感，从而可直接探测圈图级希格斯自耦合效应。在 500 GeV 能量下，积分亮度为 30 fb$^{-1}$，电子束极化度分别为 $-80\%$ 和 $+30\%$ 时，可实现 $\kappa \lesssim 2.40$ 的限制。

ABSTRACT

It is shown that a certain angular asymmetry of charged leptons produced in the decay of $Z$ in the process $e^+e^- o ZH$, related to a tensor polarization component of the $Z$, can be used to constrain the anomalous triple-Higgs coupling, independent of the other anomalous couplings like the $ZZH$ coupling which dominate at tree level. This is because the angular asymmetry is odd under na\" ive time reversal, and hence dependent on loop-level contributions. At a future $e^+e^-$ collider like the International Linear Collider (ILC), for example, a limit of about $3.4$ might be placed on the ratio of the actual triple Higgs coupling to that predicted in the standard model for a centre-of-mass energy of 500 GeV and an integrated luminosity of 30 fb$^{-1}$ with electron and positron beams having longitudinal polarization of $-80\%$ and $+30\%$, respectively.

研究动机与目标

• 在 $e^+e^- \to ZH$ 过程中，从主导的树图级 ZZH 异常耦合中分离出三重希格斯耦合的圈图贡献。
• 开发一种对振幅虚部敏感的方法，该部分在朴素时间反演下为奇。
• 在无需事先了解树图级 ZZH 耦合的情况下，实现对异常三重希格斯耦合 $\kappa$ 的模型无关约束。
• 在 ILC、CEPC 和 FCC-ee 等未来 $e^+e^-$ 对撞机上，在考虑实际束流极化与亮度条件下的敏感度进行评估。

提出的方法

• 利用 Z 玻色子衰变产物轻子中与 Z 的张量极化分量 $T_{yz}$ 相关的时间反演奇角不对称性 $A_{yz}$。
• 基于文献 [6] 的形式化方法，将 Z 玻色子的张量极化与 Z 休息参考系中带电轻子的方位角分布联系起来。
• 该不对称性 $A_{yz}$ 与散射振幅的虚部（即吸收部分）成正比，而该部分仅来自圈图贡献。
• 该方法可分离出三重希格斯耦合的贡献，因为它是主要的未知圈图振幅，而其他耦合（如顶夸克-Yukawa 耦合）则假设已知。
• 针对不同对撞机能量与亮度进行了数值模拟，假设电子束纵向极化度为：$e^-$ 为 $-80\%$，$e^+$ 为 $+30\%$，符合 ILC 的计划。
• 通过基于不对称性 $A_{yz}$ 的 $1\sigma$ 偏差分数限制，评估对 $\kappa$ 的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用 $e^+e^- \to ZH$ 中的时间反演奇角不对称性，分离出三重希格斯耦合的圈图贡献？
• RQ2 所提出的不对称性 $A_{yz}$ 是否独立于主导截面的树图级异常 ZZH 耦合？
• RQ3 在具有实际束流极化与亮度的未来 $e^+e^-$ 对撞机上，该方法对异常三重希格斯耦合 $\kappa$ 的敏感度如何？
• RQ4 与未极化束流相比，束流极化如何提升对 $\kappa$ 的敏感度？
• RQ5 当树图级 ZZH 耦合未知或非标准模型时，该方法是否仍能对 $\kappa$ 施加约束？

主要发现

• 在质心系能量为 500 GeV、积分亮度为 30 fb$^{-1}$ 的条件下，该方法可实现对异常三重希格斯耦合的 $1\sigma$ 限制 $\kappa \lesssim 2.40$，且独立于树图级 ZZH 贡献。
• 采用纵向束流极化（$e^-$：$-80\%$，$e^+$：$+30\%$）使敏感度相比未极化束流提高了 4 至 5 倍。
• 在相同条件下，当 $\kappa = 1$ 时，不对称性 $A_{yz}$ 测得为 $-4.00$，$30$ fb$^{-1}$ 下的 $1\sigma$ 不确定度为 $1.15$。
• 当树图级耦合已知时，该方法的敏感度显著低于基于截面的测量方法，但当这些耦合未知时，其优势至关重要。
• 在 $\sqrt{s} = 500$ GeV 且 $L = 10$ fb$^{-1}$ 时，限制改善至 $\kappa \lesssim 4.16$，表明需高亮度才能实现竞争性敏感度。
• 该不对称性 $A_{yz}$ 在朴素时间反演下为奇，且与振幅的吸收部分成正比，确保其仅对圈图物理（包括三重希格斯耦合）敏感。