利用干涉效应研究Higgs粒子总宽度和探测新物理

Searching for new physics beyond Standard Model (SM) is an international frontier topic in particle physics. The total width of Higgs boson is one of key properties to confirm SM or discover new physics. However, the total width of 125GeV Higgs predicted by SM is much smaller than the resolution of experiment at Large Hadron Collider, so that it is not possible to be measured directly by fitting the invariant mass spectrum. This proposal plans to do research on measuring the total width of Higgs boson through interference effect. The interference between Higgs’s signal channel and background channel may cause physical observed effects such as mass shift and total cross section change. Through studying the relationship of these effects depending on total width and comparing the experiment results, we could get the model-independent limit on total width, then we could get the limit on new physics, for example, limit on partial with of Higgs decaying to invisible particles. Furthermore, this proposal plans to study the interference effects caused by heavy Higgs and charged Higgs, discuss the allowed theoretical forms and parameter space of new physics.

寻找超出标准模型的新物理是粒子物理领域的国际前沿课题。Higgs粒子的总宽度是验证标准模型或发现新物理的主要特性之一。标准模型预言的质量在125GeV的Higgs粒子的总宽度远小于大型强子对撞机上实验的测量精度，以至目前不可能通过常规的拟合不变质量谱的方法来直接测量。本项目拟研究利用信号道和本底道之间的干涉效应来直接测量Higgs粒子的总宽度。Higgs信号道和本底道之间的干涉可能引起质量偏移和总截面变化等效应，通过研究这些效应与Higgs粒子总宽度的依赖关系并对比大型强子对撞机上的实验数据，可以得到与模型假设无关的总宽度的限制，进而得到对新物理如Higgs的不可见衰变分宽度的限制。另外，本项目拟研究重Higgs和带电Higgs粒子对于干涉项的影响引起的质量偏移以及总截面变化与标准模型预言的区别，寻找新物理可能存在的理论形式和参数空间。

CP宇称破坏是一个宇宙学和粒子物理学上的前沿课题。它不仅是解释宇宙中物质与反物质不对称的Sakharov三个基本条件之一，而且在许多新物理模型中出现。在Higgs物理中研究CP宇称破坏是寻找新物理的有效方法之一。本项目主要研究在大型强子对撞机(LHC)上探测Higgs CP宇称属性的方法及其对新物理的寻找和限制。其中具体研究了在Higgs衰变到光子和Z玻色子的过程中探测H\gamma Z耦合的CP破坏，以及在Higgs衰变到双光子的过程中探测H\gamma\gamma耦合中的CP破坏。鉴于在这两个过程中，在LHC上利用其末态运动学不能构造区分CP-even和CP-odd的实验可观测量，本项目研究了利用信号过程与本底的干涉效应来构造新的实验观测量，其中对于H\gamma Z耦合，Z玻色子进一步衰变后的轻子可以在截面微分分布中出现前后不对称性，对于H\gamma\gamma耦合其干涉效应可以在共振态质量附近引起较大的不对称积分效应,积分效应的大小与CP破坏程度相关。在理论分析了观测量的来源及数值模拟之后，我们进一步估计了其在未来高亮度LHC上对于新物理的探测以及可能的限制。