[論文レビュー] Enhancement of Higgs Production Through Leptoquarks at the LHC

Arvind Bhaskar, Debottam Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、拡張された標準模型におけるレプトクォーク（LQ）と右手系の不活性ニュートリノが、特に第一および第二世代のクォークに対して、ダウン型クォークのヤコビィカップリングを顕著に増幅させられることを提案している。これにより、ヒッグス粒子生成におけるクォーク融合の寄与が非可視的になり、特にO(1)のLQカップリングを持つ軽いSMノーサイナルスカラーファイφに対しては、グルーオン融合を上回る可能性があり、高インテンシティLHCにおける大規模なジジェット分岐比を介して検証可能である。

ABSTRACT

The Standard Model (SM) when extended with a Leptoquark (LQ) and right handed neutrinos, can have interesting new implications for Higgs physics. We show that the sterile neutrinos can induce a significant boost to the down-type quark Yukawa interactions through a diagonal coupling associated with the quarks and a scalar LQ of electromagnetic charge $1/3$. The relative change is much more pronounced in case of the first two generations of quarks as they have vanishingly small Yukawa couplings in the SM. The enhancement in the couplings would also lead to a non-negligible contribution of the quark fusion process to the production of the 125 GeV Higgs scalar in the SM, though the gluon fusion always dominates. However, this may not be true for a general scalar. As an example, we consider a scenario with a SM-gauge-singlet scalar $\phi$ where an $\mathcal O(1)$ coupling between $\phi$ and the LQ is allowed. The $\phi q \bar{q}$ Yukawa couplings can only be generated radiatively through a loop of LQ and sterile neutrinos. Here, the quark fusion process can have significant cross section, specially for a light $\phi$. It can even supersede the normally dominant gluon fusion process for a moderate to large value of the LQ mass. This model can be tested/constrained at the high luminosity run of the LHC through a potentially large branching fraction of the scalar to two-jets.

研究の動機と目的

• 拡張された標準模型におけるレプトクォークと不活性ニュートリノがヒッグスカップリングおよび生成メカニズムに与える影響を調査すること。
• 特定の新しい物理学のシナリオ下で、クォーク融合が支配的ヒッグス生成チャネルに達する条件を調査すること。
• レプトクォークを介してループ誘導ヤコビィ相互作用を通じてカップリングされるSMノーサイナルスカラーファイφの素粒子的実現可能性を評価すること。
• 高インテンシティLHCにおけるジジェット最終状態を通じて、このモデルを検証する可能性を評価すること。

提案手法

• 電磁的電荷1/3のレプトクォーク（LQ）と右手系の不活性ニュートリノを標準模型に導入する。
• LQ、不活性ニュートリノ、およびダウン型クォーク間の対角的カップリングを用い、放射修正を通じて強化されたヤコビィ相互作用を生成する。
• スカラー系を、クォークにはLQおよび不活性ニュートリノを介したループを通じてのみカップリングするSMゲージノーサイナルスカラーファイφとしてモデル化する。
• LQおよび不活性ニュートリノを含む1ループ図を用いて、誘導されたφq̄qヤコビィカップリングを計算する。
• グルーオン融合およびクォーク融合によるヒッグス的状態の全生成断面積を計算し、それらの寄与の相対的寄与を比較する。
• φが軽量でLQ質量が中程度から大きい領域において、φがジジェットへ崩壊する分岐比を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトクォークと不活性ニュートリノは、標準模型におけるダウン型クォークの有効ヤコビィカップリングを顕著に増幅させ得るか？
• RQ2 クォーク融合がヒッグス粒子生成においてグルーオン融合を上回る条件は何か？
• RQ3 ループ誘導カップリングのおかげで、軽量なSMノーサイナルスカラーファイφがクォーク融合によって支配的な生成モードを示すことができるか？
• RQ4 提案されたモデルにおけるφ → jj分岐比の大きさはどの程度で、LHCでの発見に十分な大きさか？
• RQ5 LQ質量およびカップリング強度は、φ生成におけるクォーク融合がグルーオン融合を上回るのをどのように左右するか？

主な発見

• レプトクォークと不活性ニュートリノの導入により、特に第一および第二世代のクォークに対して、ダウン型クォークのヤコビィカップリングが顕著に増幅される。
• 強化されたクォークカップリングのおかげで、ヒッグス生成におけるクォーク融合の寄与が非可視的になり、支配的であるグルーオン融合プロセスと競合可能になる。
• 軽量なSMノーサイナルスカラーファイφに対して、レプトクォークカップリングがO(1)の場合、ループ誘導φq̄qヤコビィカップリングが顕著になり、クォーク融合がグルーオン融合を上回るようになる。
• 中程度から大きなLQ質量の範囲では、φのクォーク融合断面積がグルーオン融合を上回る可能性があり、特にφが軽量である場合には顕著である。
• 本モデルは、φ → jjの潜在的かつ大きな分岐比を予測しており、高インテンシティLHCにおける発見の有望なシグナルを提供する。