[論文レビュー] Directly Probing the CP-structure of the Higgs-Top Yukawa at HL-LHC and Future Colliders

Rahool Kumar Barman, Morgan E. Cassidy+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、HL-LHC、100 TeV FCC、および将来のミューオン衝突機におけるヒッグス粒子を伴うトップクォーク対生成において、ヒッグス-トップヤクバイ相互作用のCP構造を直接プローブする手法を調査している。CP奇およびCP偶の観測量を用いた多次元解析を通じて、将来の衝突機がCP違反位相αに対して数度未塔の感度を達成できることを示しており、100 TeV FCCおよび30 TeVミューオン衝突機では|α| ≲ 3°の制約が得られる。

ABSTRACT

Constraining the Higgs boson properties is a cornerstone of the LHC program and future colliders. In this Snowmass contribution, we study the potential to directly probe the Higgs-top CP-structure via the $t\\bar{t}h$ production at the HL-LHC, 100 TeV FCC and muon colliders. We find the limits on the CP phase ($\\alpha$) at 95% CL are $|\\alpha| \\lesssim 36^\\circ$ with dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $ and $|\\alpha| \\lesssim 25^\\circ$ with combined $t\\bar t (h\ o \\gamma\\gamma) $ at the HL-LHC. The 100 TeV FCC brings a significant improvement in sensitivity with $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for the dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $, due to the remarkable gain in the signal cross-section and the increased luminosity. At future muon colliders, we find that the bounds with semileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) \ u\\bar\ u$ are $|\\alpha| \\lesssim 9^\\circ$ for 10 TeV and $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for 30 TeV, respectively.

研究の動機と目的

• ヒッグス-トップヤクバイ結合におけるCP奇位相αの将来の衝突機の感度を評価すること。
• 二重レプトン的、半レプトン的、ハドロン的最終状態の各々がCP構造を制約する性能を評価すること。
• フィッシャー情報と完全な衝突機シミュレーションを用いて、HL-LHC、100 TeV FCC、およびミューオン衝突機の感度を比較すること。
• 多次元解析および運動量再構築のCP位相感度への影響を定量化すること。
• 異なる衝突機のシナリオと最終状態におけるCP違反位相αの95%信頼水準の制約を予測すること。

提案手法

• CP違反位相αを含むヒッグス-トップヤクバイ相互作用の有効ラグランジアン形式を用いる：𝒟ℒ ⊃ −(m_t/v)κ_t ̄t(cosα + iγ₅sinα)t h。
• CP奇およびCP偶の運動量観測量（例：Δϕᵢₖᵗᵗ̄およびθ*）の情報含量を定量化するためにフィッシャー情報を利用する。
• ミューオン衝突機のシナリオにおいて、検出器効果およびジェットエネルギーのスメアリングを含む、信号対バックグラウンドの完全なモンテカルロシミュレーションを実施。
• 複数の観測量を統合してαに対する感度を最大化するための多次元解析手法を実装。
• 中心エネルギーに依存する断面積のα依存性を用いて、異なる衝突機エネルギーにおける感度を推定。
• VBF過程における特異性を回避するため、p_T^μ > 10 GeVのカットを適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCにおけるt̄th最終状態を用いたヒッグス-トップヤクバイ結合のCP構造に対する感度はいかほどか？
• RQ2 100 TeV FCCではHL-LHCに比べて感度がどのように向上するか？
• RQ3 10 TeVおよび30 TeVの中心エネルギーを持つ将来のミューオン衝突機で、CP違反位相αにどの程度の制約を課すことができるか？
• RQ4 二重レプトン的、半レプトン的、ハドロン的といった異なる最終状態は、CP位相感度にどのように寄与するか？
• RQ5 単一変数観測量と比較して、多次元解析がCP奇位相に対する感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• HL-LHCでは、二重レプトン的t̄th（h→bb̄）最終状態に対して、95%信頼水準の制約が|α| ≲ 36°となる。
• HL-LHCにおける組み合わせt̄th（h→γγ）チャンネルでは、95%信頼水準の制約が|α| ≲ 25°に改善される。
• 100 TeV FCCでは、増加した光度および信号断面積のおかげで、二重レプトン的t̄th（h→bb̄）最終状態に対して|α| ≲ 3°の感度が達成される。
• 10 TeVのミューオン衝突機では、10 ab⁻¹の統合光度のもとで、半レプトン的t̄th（h→bb̄)νν̄最終状態に対して|α| ≲ 9°の制約が得られる。
• 同じ光度で30 TeVのミューオン衝突機では、制約が|α| ≲ 3°にさらに厳しくなる。これは顕著な感度向上を示している。
• t̄thνν̄およびtbhμν過程の信号断面積は、t̄thとは逆のα依存性を示し、補完的な感度を提供する。