LHCでの湯川結合の測定
田中純一
東大ICEPP

2009/9/7

余剰次元@LHC研究会

1内容•イントロ– 発見から(精密)測定へ•

カップリング– 生成と崩壊– 解析モードのまとめ••

LHCでの結合定数の測定精度
ATLASの結果– CSC Bookからの考察– ttH, H->bb– WH, H->bb••

FermiophobicとGaugephobic
まとめ2009/9/7

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2Introduction•

LHCでは“ヒッグス”粒子を発見するだけでなく、発見後きちんと同定する研究も行う。
– 質量、崩壊幅– スピン、結合定数、CPを測定する。特にスピン、結合定数、CPはSMのHiggsならこうなるべし、という値があるので、それらを測定することで実際に観測した”ヒッグス”粒子がSM Higgsかそれとも他のモデルのHiggsか区別する手がかりとなる。

•

質量はSM Higgsについていえば間接測定からかなり制限されている。ただし、SMではあくまでもインプットパラメータ。
mH=87(+35-26)GeV
mH < 157 GeV/c2 @95% C.L.
» ATLAS・CMSとも~0.1%の精度で質量を測定することができる。
(<400GeV)

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続き
•

崩壊幅– 200GeV以下では測定不能。
– 200GeV以上なら、H->ZZ->4lで0.1-1%で測定可能。

•

スピンとCP– H->γγ … 0 or 2– H->WW->lνlν … 0を仮定してカットを決めている。
Δφll分布から何か言えるはず。
– H->ZZ->4l … Spin and CPの測定– Forward jets of VBF process … anomalous
couplingの有無(SMからのずれ) (次のカテゴリ?)•

結合定数– フェルミオン・ゲージボソンとの結合 -> 質量の起源– 湯川結合の質量に対するlinearityの証明！
• 3種類のフェルミオンとの結合測定は必須。
– Top, bottom, tau– mu at SLHC?, charm at LC?
• ゲージボソンと合わせて5点で確認。
– Self coupling• 3点 … SLHC, 6ab(=6000fb-1)?
• 4点 … SLHCでは無理。LC?
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生成

gt
(gbは小さい)gW, gZgW, gZgt
gb … 難生成側にはgt, gW, gZの結合が存在する。
(gbはchallenging, gτはない。)
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崩壊bb
ττ
H-> γγWWZZ•

110-150GeV: gt, gb, gτ, gW, gZ– gtはH->γγから。(gWの方が大きい。Negativeに大きな干渉->W loop onlyと比べて約6割)••

150GeV以上: gW, gZ
これまでのEW測定とSMを信じれば前者が有力、つまり、5点測定可能。
– 生成を含めて考えても、後者の場合、gτにアクセスすることは非常に難しくなる。
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解析モードとカップリングのまとめ
Production
Gluon Fusion

Vector Boson
FusionttH

WH(/ZH)

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Decay

Mass region (<200GeV) and “couplings”

H -> γγ

110-140GeV

gt, gW

H -> ZZ

120-200GeV

gt, gZ

H -> WW

130-190 GeV

gt, gW

H -> ττ110-150GeV

gW, gZ, gτ

H -> WW

130-190GeV

gW, gZ

H -> γγ

110-140GeV

gW, gZ, gt

H->ZZ

120-200GeV

gW, gZ

H -> bb

110-130GeV

gW, gZ, gb

H -> bb

110-130GeVgt, gb

H -> ττ110-140GeVgt, gτH -> WW

130-190GeVgt, gW

H -> γγ110-140GeVgt, gW

H -> WW

140-170GeVgW(Z)H -> γγ110-140GeV

gW(Z), gt

H -> bb

110-130GeV

gW(Z), gb

H -> ττ110-140GeV

gW(Z), gτ

Tauとbottomの結合は崩壊側にしかない。
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しかも、一般にBGが多いため解析は難しい。

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観測量とカップリングの関係•

生成断面積xBRを測定する。(正確にはσ・BRだがここではσと書く)
σ = (N-B)/(L・ε)• N … 観測した数• B … Estimated BG• L … 積分ルミノシティ
ε … アクセプタンス– (Δσ/σ)2 = N/(N-B)2 + (ΔB/(N-B))2+(ΔL/L)2+(Δε/ε)2– 一項目が統計誤差で残りが系統誤差と考える。
• N=S+Bと書けば、一項目はSが大、またはBが小で(1/√N)2。
• 二項目はΔB/Sで一般にBGの見積もりの誤差はratioで与えられるのでB/Sに比例することになる。(測定ではS/√BではなくS/Bが重要。)• 二項目をいかに小さくできるかが鍵。

•生成断面積xBRはカップリングで記述できるので解けばOK.
– 実際はたくさんの観測結果があるのでフィットして求めている。

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8σ・BRとカップリング•

生成断面積σσggH = αggH・gt2
σVBF = αWF・gW2 + αZF・gZ2 (干渉は1%以下)
σttH = αttH・gt2σWH = αWH・gW2σZH = αZH・gZ2•

BR–––––•BR(H->WW)= βW・gW2 /ΓH
BR(H->ZZ)= βZ・gZ2 /ΓH
BR(H->γγ)= (βγW・gW - βγt・gt)2/ΓH
BR(H->ττ)= βτ・gτ2 /ΓH
BR(H->bb)= βb・gb2 /ΓH

係数α,βはSMから計算できる。ΓHは測定できない場合は何かしら仮定をおく。もちろん単純にSMの値を使うという仮定もOK。

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LHCでの結合定数の測定精度@30fb-1•

Need a help of theory to obtain theabsolute values of couplings.
Assumption [hep-ph/0407190] :• HVV (V=W,Z) couplings cannot belarger than the SM case, namely,– g2(H,W) < g2SM(H,W)– g2(H,Z) < g2SM(H,Z)
This constraint is valid in generic multiHiggs-doublet models. (eg. MSSM)With 2x30fb-1:• Yukawa• gt : 15-40%• gb : 32-50%• gτ : 20-50%• Gauge Boson• gz : 7-25%• gw : 5-20%
注意:gのuncertaintyはg2の半分
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LHCでの結合定数の測定精度@300fb-1
With 2x300fb-1:• Yukawa• gt : 13-20%• gb : 21-45%• gτ : 13-25%• Gauge Boson• gz : 6-16%• gw : 5-12%• Total Width : 15-50%
120GeVなら25%以下の精度で測定可能。
ゲージボソンとの結合は精度良く測定ができる
ので、この結合を利用してモデルを区別することが可能。(実際、event rateの違いに現れる。)

2009/9/7

余剰次元@LHC研究会11最新のATLASの結果(CSC)から•

中心値だけ見た場合、σ・BRは– H->γγで15%ぐらい悪くなる。-> BGが倍増したため(fake photon from jets)– H->ττで15%ぐらい良くなる。-> BGが半減したため(Z+jets生成のscale choiceの問題)– H->ZZ/WWはほとんど変化しない。

•Systematic uncertainty– ページ9、10の結果のSystematic uncertaintyは以下の通り• Luminosity 5%• Lepton reconstruction efficiency 2%• Photon reconstruction efficiency 2%• Tau tagging efficiency 3%• VBF tag-jets 5%など(nameは大雑把、当時はFAST simulationで解析)• CSCではLuminosityを3%、Tauは~7%ぐらい。Lepton, Photonは1%以下。
• ただし、当時(2003年のノート)はJet energy scale uncertaintyを考慮していなかったがこれが最も大きい。VBFチャンネルではアクセプタンスに対して20%程度のuncertaintyが追加される。(これが”主”uncertaintyになる。)– BG estimation uncertaintyをきちんと評価する必要がある。
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12消えたttH, H->bb••
4b•2009/9/7

This process was one of discovery channels for low mass Higgs.
With more realistic Monte Carlo studies, we found that
– The combinatorial background from the signal degrades the massresolution badly.
– Difficulty of estimation of both background shape andnormalization by using real data. -> difficult to separate signal
from background.

Now this is not a discovery channel but important for bottom
Yukawa coupling measurement.

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ATLAS-PHYS-PUB-2009-088

WH, H->bb•

シグナルも減るがBGを効果的に落とすため、High pT Higgsを利用するアイデア– pT(H)>200GeVでシグナルは5%しか残らない。

•Subjet analysis(磯部さんのトーク参照)を用いてHiggs candidateを再構成する。
– Higgs candidate pT>200GeV

WH->lνbb
30fb-1の数とSignificanceÅBGの見積もりの不確定性を入れた場合

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ttH, H->bbでも同じ手法に？
ZH/WH, H->ττは？

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D0 Note 5880-CONF

Fermiophobic Higgs•

フェルミオンとの結合が全くないモデルで計算したH->γγのBR– Two Higgs doublet model (type1)などのモデルで実現可能。
Mass(GeV)

SMFemiophobic

何倍？

1000.00157

0.18

110

110

0.00194

0.062

32

120

0.00223

0.028

13

130

0.00227

0.019

8.4

•

メインであるGluon fusionのプロセスがなくなって、VBFやWHがメインになるためにHiggspTが高くなる。

••

D0の結果 : femiophobic Higgs masss > 102.5GeV
LEP combinedの結果 : > 109.7GeV
2009/9/7

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15Fermiophobic Higgs

ゲージボソンとの結合しかない場合
Production
Gluon Fusion

Vector BosonFusionttH

WH(/ZH)

Decay

Mass region (<200GeV) and “couplings”

H -> γγ110-140GeVgt, gW

H -> ZZ

120-200GeVgt, gZ

H -> WW

130-190 GeVgt, gW

H -> ττ110-150GeV

gW, gZ, gτ

H -> WW

130-190GeV

gW, gZ

H -> γγ

110-140GeV

gW, gZ, gt

H->ZZ

120-200GeV

gW, gZ

H -> bb

110-130GeV

gW, gZ, gb

H -> bb

110-130GeVgt, gb

H -> ττ110-140GeVgt, gτH -> WW

130-190GeVgt, gW

H -> γγ

110-140GeVgt, gW

H -> WW

140-170GeVgW(Z)H -> γγ

110-140GeV

gW(Z), gt

H -> bb

110-130GeV

gW(Z), gb

H -> ττ110-140GeV

gW(Z), gτ

H->γγのtop loopはなくなる。
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16Gaugephobic Higgs•

Randall-Sundrumモデルなどで実現可能。
– ゲージ粒子との結合が弱くなる。(フェルミオンとの結合も弱くなる)– この場合、114GeV(LEP limit)より軽くてもいい。理論側からのupper limitもゆるくなる。

•細谷機構でも同様の効果が見える。
– 極端な例ではHiggsはゲージ粒子にもフェルミオンにも結合しないため観測できない。

•一般に、ヒッグスが見えにくいほど、新しい粒子が発見しやすい。
– W’やZ’など。

(Gaugephobicとは直接は関係しないが)• 一般に、ある新しいモデルを考えたときヒッグスが見えにくくなる方向になる。

2009/9/7

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17Gaugephobic Higgs

ゲージボソンとの結合がない場合
Production
Gluon Fusion

Vector BosonFusion

ttH

WH(/ZH)

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Decay

Mass region (<200GeV) and “couplings”

H -> γγ

110-140GeV

gt, gW

H -> ZZ

120-200GeV

gt, gZ

H -> WW

130-190 GeV

gt, gW

H -> ττ110-150GeV

gW, gZ, gτ

H -> WW

130-190GeV

gW, gZ

H -> γγ

110-140GeV

gW, gZ, gt

H->ZZ

120-200GeV

gW, gZ

H -> bb

110-130GeV

gW, gZ, gb

H -> bb

110-130GeV

gt, gb

H -> ττ110-140GeVgt, gτH -> WW

130-190GeVgt, gW

H -> γγ

110-140GeVgt, gW

H -> WW

140-170GeV

gW(Z)H -> γγ

110-140GeV

gW(Z), gt

H -> bb

110-130GeV

gW(Z), gb

H -> ττ110-140GeV

gW(Z), gτ

H->γγのW loopはなくなる。
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H->γγはどちらのシナリオでもみることができる。

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どう動くか？
•H->WW– 7TeVでは300pb-1以上必要(170GeVはexcludeされたポイントです)。10TeV以上はほしい。
– これが想定したルミノシティで見えなくても、SM以外のモデルには影響ない？

•Very preliminary
mH=170GeV,0,1,2jets analysis,
ee/μμ/eμ channels

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H->γγ– BRがenhanceされることがある。(珍しい)– ゲージ粒子との結合なくてもいいし、フェルミオンとの結合がなくてもいい。
– ループ故の性質などで、理論からの不定性が大きい？
– 10fb-1オーダーのデータが必要…。

もしSMでないならヒッグスがどうこうというより、先に高い部分に何か見えるでしょう。

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まとめ
•

“ヒッグス”粒子発見 -> “ヒッグス”粒子の性質の測定– 質量、崩壊幅– スピン、CP、結合定数 Æ SM Higgs同定の鍵••

湯川結合を測定するためには軽いヒッグスが望ましい。
LHC(ATLAS+CMS)の測定精度
30fb-1x2

300fb-1x2

Top

15-40%

13-20%

Bottom32-50%

21-45%

Tau

20-50%

13-25%

W

7-25%

6-16%

Z

5-20%

5-12%

– この精度(x3)以上の差がないとLHCでは何も言えない。湯川で言うのは大変。

••••

ttH, H->bbモードの観測は非常に難しい。(ATLASもCMSも同じ結論)
新しい解析手法の確立: High boosted Higgs+Subjet -> WH, H->bb
Fermiophobic HiggsならH->γγはenhanceされる。
Gaugephobic Higgsなら一般にヒッグスは見えにくくなる。
– 新しい粒子(W’, Z’等)が発見できるはず。
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20バックアップ

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LHCの発見能力
γγZZ

WW

•

5fb-1あれば軽いヒッグス以外は発見可能。
– 130GeV以下は10-30fb-1のデータが必要。

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14TeV -> 10TeV -> 7TeV•••

W+ : 109nb -> 78nb (72%), W-: 80nb -> 55nb (69%), Z: 58nb->40nb (69%)
ttbar: 876pb -> 396pb (45%) -> 156pb (18%)
gg->H(120): 37pb -> 21pb (57%) -> 11 (30%)
qq->qqH(120): 4.6pb -> 2.6pb (57%) -> 1.3 (30%)
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