ATLAS実験におけるHiggs粒子のSpin、CPの測定について

神前 純一 (KEK)

LHC が切り拓く新しい素粒子物理学@ICEPP
2008年3月28日

Higgsの性質の決定（Spin、CP）• “Higgs” を見つけるとは(“Peak”から“Higgs”へ)
mass → gauge, Yukawa and self-couplings
charge, color, spin and CP quantum numbers• どのように崩壊するかを調べる- 非常に軽い → fermion または photon への二体
- 重い→ two vector bosons → 4 fermions- 非常に重ければ → t-tbar へも• どのように生成されるかを調べる- Vector boson fusion → WW、ZZ への gauge coupling- ttH → t-quark への Yukawa couplingSpin、CPを測る三つの方法• Vector boson 対への崩壊の崩壊生成物の角度相関- ZZ → 4 lepton- WW → (lv)(jj)• Vector boson fusion による生成で forward jet の φ(azimuthalangle) の相関を調べる (T. Plehn, D. Rainwater, and D.
Zeppenfeld Phys. Rev. Let. 88 (2002) 051801)• ttH で t、t-bar の運動量相関を調べる。
終状態の t、t-bar の運動量を再構成することにより scaler/pseudoscaler を区別できる（John F. Gunion, Xiao-Gang He,
Phys.Rev.Lett.76:4468,1996）

H → VV について
• SM (CP-even):• Tensor Couplings:
CP-even:CP-odd:• Vector boson 対への崩壊の崩壊生成物の角度相関を調べる- ZZ → 4 lepton (e or μ): それぞれの lepton の運動量・電荷が精度良く測定できる- WW → (lv)(jj): 一部の質量を ﬁx する事により終状態を再構成可能。
ただし (jj) は電荷は分からない。gluon fusion では backgroundが大きい → VBF production

H → VV について

φ: Higgs粒子の静止系において、二つのW粒子から崩壊したそれぞれ2つのfermionが作る平面の間の角度。
F (φ) = C(1+αcosφ+βcos(2φ)) (0<φ<π)
ただし、W→jj では charge が分からないのでβの情報のみ
θ: W粒子の静止系における fermion の運動量の方向と、Higgs粒子の静止系におけるW粒子の運動量の方向間の角度。
G(θ) = T (1 + cos2θ) + L.sin2θ) (0<cosθ<1)
R = (L ‒ T ) / (L + T)

-0.5

H → ZZ → 4 leptonsSpin 0, CP -1-1

200200R220-1240 250260

280

300
300

320

mH=200GeV

340360m H [GeV]

Parameter ! and " 100 fb mH = 200 GeV ( 196 < Minv < 204 )"β0.20.1

SM - Higgs

0

Spin 1, CP -1

Spin 1, CP 1-0.1-0.2-0.3

Spin 0, CP -1
-0.1

-0.05

00.05

mH[GeV]• 100fb-1 の integrated luminosity でSpin 0, CP -1 は広い mass 範囲で区別可能* Narrow width approximation の解析でmH>2mZ0.1!

αVBF H → WW → (lν)(jj)• 動機は- mH≈160-170GeVでは Br(H→WW)≈100%- ZZの場合より低いmHで情報を得られないか• ν z方向の momentum の決定の新しい方法:
通常は (lν) システムを mW にﬁxする事で解くが (lν) (jj)システムを与えられた mH (parameter) に ﬁx する事により解く- Higgs の mass width の方が10fb-1

小さい- Fix する mH の値を変化させることにより “mass” の測定にもなる。

BackgroundR とβの期待値
βRMH(GeV)R, βの期待値

MH(GeV)Results (30fb-1)

mR

RmH[GeV]mH[GeV]• mH>200GeVでは区別が可能
ただし、ｍH<200GeVではやはり難しいか、、

βmH[GeV]VBF H production の forward jet• SM+同様の tensor couplings を考える

VBF プロセスの解析の二つの forward jet のφ（azimuthal angle)に強い correlation がある
T. Plehn, D. Rainwater, and D. Zeppenfeld Phys. Rev. Let. 88(2002) 051801• Higgs の崩壊モードにあまり影響されない

VBF H production の forward jet
H → WW(160GeV)

H → ττ(120GeV)

CP-oddCP-oddSM
SM
CP-evenCP-even

Signal Distributions

VBF H production の forward jet• SMからのdeviation
Higgs Decay
H→WW(10fb-1)
H→ττ(30fb-1)

Deviation from
CP-evenCP-odd
5.4σ
2.5σ

4.6σ
2.0σ

• Interference により CP-even tensor coupling の効果を調べる

Higgs Decayσ(g5e)σ(pull(g5e))

WW(30fb-1)

0.11

1.00

ττ(30fb-1)

0.24

0.97

ttH の場合• このプロセスでは質量が軽くベクターボゾン対への崩壊比が小さいようなHiggs粒子について CP の情報を得られる可能性がある:
J.F. Gunion and X.-G. He, “Determining the CP nature of a neutral
Higgs boson at the LHC”,
Phys.Rev.Lett.76 (1996) 4468; hep-ph/9602226.

• 終状態の t、t-bar の運動量を再構成し、それらの運動量の組み合わせで得られるいくつかの変数を比較する。

ただし、t、t-bar の運動量の再構成には、効率の悪さ、バックグラウンドの影響、精度等の問題がある。
→ t、t-bar ではなくHiggsの運動量に違いがあるか、、、→ Higgsの運動量の精度の良い測定が可能 → H →γγ崩壊

CP の決定／測定• トップ・クォーク随伴生成で生成された120GeV の質量のHiggs粒子の pT及び η をパートン・レベルの情報を用い、いくつかのイベント・ジェネレータで比較してみた。

pT|η|
0.7

PythiaMadGraph
HerwigCP-even

0.006
0.005

0.5

MadGraph
HerwigCP-odd0.004
0.003

CP-oddMadGraph
Herwig

0.3
0.2

0.001
00

PythiaMadGraph
Herwig

0.4

Red: even
Blue: odd

0.002

CP-even
0.6

0.1

100

200

300

400

500

600

700

800

p [GeV]

00

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4T• CP even の場合と、CP-odd の場合であきらかな違いが見られる。

4.55|!|

CP の決定／測定• 比較のために bbH の場合を見ると、、
pT|η|

0.035

0.35

MadGraph

MadGraph
0.03

CP-evenCP-even

0.3

CP-oddCP-odd

0.025

0.25
0.02
0.2
0.015
0.01

0.15

0.005

0.1

0050

100150200250

p [GeV]
T

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

5|!|

b-quark の質量は t-quark の質量より小さいため CP-even と CP-oddの差による効果が小さい。

ttH(→γγ)プロセスの特徴- ttH(→bb) に比べて branching ratio は小さいが- 質量の測定精度が良い

1gluontopt- バックグラウンドが少ないt- 終状態を再構成する際に jet の組み合わせ

tによるバックグラウンドが少ない

4hgluont top

2graphHiggs
533→ Higgs粒子の運動量を精度良く決定することができる。

• フェルミオンとの結合により生成される。
• 同じ生成プロセスのHiggs粒子の他の崩壊モード(bb、ττ)の結果と比をとることにより Γγ/Γb、 Γγ/Γτ の良い測定になる
Semi-leptonic: pp -> ttH (->γγ), t t -> (bW)(bW) -> (blv)(bjj)
Hadronic:
pp -> ttH (->γγ), t t -> (bW)(bW) -> (bjj)(bjj)Event selection• 期待される断面積 [ 10-2fb] と signal signiﬁcance (mH 2GeV)
Semi-leptonic と hadronic 両モードを合わせた結果

120GeV

130GeV

140GeV

Higgs

20.4

16.6

11.5

BG total

5.6

4.7

4.1

Poisson Significancewith 100fb-1

6.05.34.0

Poisson Significancewith 300fb-1

10.7

9.57.3

Higgs粒子の pT 及び η の解析• 分布の形の違いを比較するため、検出されたHiggs粒子の pT および η の値がある値よりも大きいイベントと小さいイベントの数の比を求め、CP-evenの場合と CP-odd の場合で比較した。
pT の場合: pTcut = 150 GeV,
R(High/Low) = N(High pT) / N(Low pT)
η の場合: |η|cut = 1.0,R(Cent/Forw) = N(Central) / N(Forward)• まずパートンレベルで値を調べる（MadGraph, mH=120GeV）:
CP-evenCP-oddΔR

pT: R(High/Low)

0.40

1.180.88

η: R(Cent/Forw)

0.75

1.130.38

Higgs粒子の pT 及び η の解析• pT の解析の結果:
MadGraph、 mH=120GeV、 pTcut = 150GeV、(バックグラウンドを含んだ解析)

CP-evenCP-oddR(High/Low)

0.48

1.18

ΔR(100fb-1)

0.20

0.45

ΔR(300fb-1)

0.12

0.26

R(CP-odd) - R(CP-even) ≈ 0.7
300fb-1 の積分ルミノシティがあれば “pure” CP-even と -odd のHiggs
粒子を充分区別することが可能

Higgs粒子の pT 及び η の解析• |η| の解析の結果:
MadGraph、mH = 120 GeV、|η|cut = 1.0、
(バックグラウンドを含んだ解析)

CP-evenCP-oddR(Cent/Forw)

1.00

1.41

ΔR(100fb-1)

0.41

0.54

ΔR(300fb-1)

0.24

0.31

R(CP-odd) - R(CP-even) ≈ 0.4
pT の解析と比較すると期待される signiﬁcance は小さい

まとめ
• CPの情報についてはHiggsの質量の広い範囲で vector boson fusion の解析での forward jet の φ-correlation を調べるのが非常に有効な方法である。

• Higgsのvector boson 対への崩壊を調べる方法は、質量がある程度重い場合（mH>200GeV）には有効な方法。

• Fermion への coupling を通して調べる際は ttH(→γγ) で Higgs の生成運動量を調べるのが unique な方法。終状態の t、t-bar の運動量を再構成せずにHIggs粒子の pT 及び η の分布を比較することによりHiggs粒子のCP の情報を得ることが出来る。ただし Higgs が非常に軽い場合のみ。

• MSSMも想定してより系統的な研究と新しいアイディアが必要