[論文レビュー] Constraints on scalar and vector leptoquarks from the LHC Higgs data

Jian Zhang, C. X. Yue+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 56被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、LHCのヒッグスデータ（第1期および第2期）を用いてスカラーおよびベクトルレプトクォーク（LQ）の制約を検討し、ループ誘導ヒッグス生成（gg→h）および崩壊（h→γγ）に注目する。スカラーLQについてはモデルに依存しない制約を提供し、'4321'モデルにおけるベクトルLQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ を分析し、ヒッグスデータと $R_{D^{(*)}}$, $R_{K^{(*)}}$ 測定値の併合フィットを通じて真空期待値 $υ_3$ と $υ_1$ を決定する手法を導出する。主な結果として、ループ寄与が支配的である状況Bでは、95%信頼水準で $υ_3^2 + υ_1^2 \in [0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$ の制約が得られる。

ABSTRACT

We study contributions of single scalar or vector leptoquark (LQ) to loop-induced Higgs processes, gluon fusion production ($g g o h$) and $h o γγ$ decay, by analyzing the current Higgs data from the LHC Run I and II. Scalar LQ is studied in a model independent way, while the vector LQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ is discussed in the '4321' model. Constraints on the interactions of LQ and Higgs boson are obtained. We provide a method to determine vacuum expectation values $\upsilon_3$ and $\upsilon_1$ of the new scalar fields $Ω_3$ and $Ω_1$ in the '4321' model via the combination of Higgs data and measurements of $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$.

研究の動機と目的

• LHC第1期および第2期の精度の高いヒッグスデータを用いて、スカラーおよびベクトルレプトクォークがヒッグス boson に及ぼす結合を制約すること。
• B中間子の異常を説明することを目的としたフレームワークである'4321'モデル内でのベクトルレプトクォーク $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ の研究。
• '4321'モデルにおける新しいスカラー場の真空期待値 $υ_3$ と $υ_1$ を、ヒッグス測定値と $B$-崩壊データの併合フィットを用いて決定する手法の開発。
• $U_1$ レプトクォークが、ループおよび木レベルの寄与を通じて $R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ 異常を同時に説明できるかの評価。

提案手法

• LHCヒッグスデータを用いた、スカラー・レプトクォークがループ誘導ヒッグス生成（gg→h）および崩壊（h→γγ）に及ぼす影響についてのモデルに依存しない分析。
• '4321'モデルにベクトル・レプトクォーク $U_1$ を組み込み、$b\to s\ell\ell$ 遷移における木レベルおよびループレベルの寄与を計算。
• ヒッグス信号強度を結合修正係数 $\kappa_g$, $\kappa_\gamma$, および $\kappa_h$ に分離するための狭帯域幅近似の適用。
• $\chi^2$-最小化手法を用い、相関誤差を考慮した $\Delta C^{\mu\mu}_{9}$ および $\Delta R_{D^{(*)}}$ の理論予測を実験測定値にフィット。
• 2つの状況を別々に分析：木レベルの $U_1$ 寄与が支配的である状況A（tree-dominated）と、ループレベルの寄与が支配的である状況B（loop-dominated）。
• 95%信頼水準で、$R_{D^{(*)}}$, $R_{K^{(*)}}$, ヒッグス信号強度データの併合フィットを通じて、$\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$ の制約を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC第1期および第2期のヒッグスデータを併合した結果から、スカラー・レプトクォークがヒッグス boson に及ぼす結合に課せられる制約は何か？
• RQ2 $b\to s\ell\ell$ 遷移におけるベクトル・レプトクォークの寄与が、'4321'モデル内での $R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ 異常に与える影響は何か？
• RQ3 '4321'モデルにおける $υ_3$ と $υ_1$ の真空期待値は、ヒッグスデータと $B$-中間子崩壊測定値の併合フィットによって特定可能か？
• RQ4 $U_1$ の木レベルとループレベルの寄与が、$R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ 異常に与える相対的な重要性は何か？
• RQ5 現在の実験的データにフィットした際の、$\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$ の許容範囲は95%信頼水準でどのようになるか？

主な発見

• 状況A（木レベルの $U_1$ 寄与が支配的）では、95%信頼水準で $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$ の区間が $[1.127, 2.226]\ \text{TeV}^2$ に制限される。
• 状況B（ループ寄与が支配的）では、95%信頼水準で $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$ の区間が $[0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$ に制限され、最良適合値は $1.220 \pm 0.187\ \text{TeV}^2$ である。
• モデルに依存しないスカラー・レプトクォークの分析により、LHC第1期および第2期のヒッグスデータを併合した結果、それらのヒッグス boson への結合定数に対する更新された制約が得られた。
• ベクトル・レプトクォーク $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ は、'4321'モデルの枠組み内で、$R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ 異常の両方を説明する有効な候補である。
• $R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ データへのフィットから、$\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{tree}} = -0.41 \pm 0.10$ および $\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{loop}} = -1.01 \pm 0.20$ が得られ、顕著な新しい物理的寄与が示唆される。
• 開発された手法により、ヒッグス信号強度データと $B$-中間子崩壊測定値を併合することで、$\upsilon_3$ と $\upsilon_1$ の一貫性のある決定が可能となり、'4321'モデルにおける理論的不確かさが低減される。