[論文レビュー] On the impact of the Higgs boson on the production of exotic particles at the LHC

A. G. Hessler, Alejandro Ibarra+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ヒッグスボソンに結合する新しいスカラー粒子やフェルミオンのLHCにおけるヒッグス媒介生成を調査し、ヒッグスボソンに結合する単一の新しいスカラーまたはフェルミオンを含む簡略化モデルに焦点を当てる。ヒッグス媒介グルーオン-グルーオン融合は、質量が120 GeV未塔のフェルミオンに対してDrell-Yan生成を上回る可能性があり、100 TeVのエネルギーで重いフェルミオンおよびスカラー粒子に対しては、特に高インテンシティ条件下で支配的になることが判明した。

ABSTRACT

Many new physics models contain new particles that interact with the Higgs boson. These particles could be produced at the LHC via gluon-gluon fusion with an off-shell Higgs, as well as via the Drell-Yan process if charged under a gauge group. We consider in this paper simplified scenarios where the Standard Model is extended by one scalar or fermionic field that interacts with the Higgs boson and we evaluate the impact of the Higgs interaction on the production of the exotic particles at the LHC. This analysis applies in particular to TeV scale seesaw scenarios of neutrino mass generation.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソンの交換がLHCにおける奇妙粒子の生成断面積に与える影響を評価すること。
• 新しい物理状態のヒッグス媒介グルーオン-グルーオン融合と標準的Drell-YanおよびQCD生成メカニズムを比較すること。
• ニュートリノ質量生成のためのTeVスケールのシー・スワップモデルにおけるヒッグス媒介過程の重要性を評価すること。
• 将来の100 TeV陽子-陽子衝突加速器における奇妙粒子発見の可能性を予測すること。
• さまざまなセンター・オブ・マスエネルギーにおいて、ヒッグス媒介と電弱生成チャネルの相対的重要性を定量化すること。

提案手法

• グルーオン-グルーオン融合におけるヒッグスボソンのグルーオンへの結合を、トップクォークのループを通じて有効ラグランジアンでモデル化し、有効結合 $ G_H = \frac{\alpha_S}{2\pi} \left| F_H\left(\frac{4m_t^2}{P^2}\right) \right| $ を用いる。
• 三角形形ファクター $ F_H(\tau) $ を用いて、非オーバーラップヒッグスのグルーオン-グルーオン融合への寄与を計算し、$ \tau = \frac{4m_t^2}{P^2} $ とする。
• 14 TeVおよび8 TeVの中心エネルギー下で、ヒッグス媒介ggFおよびDrell-Yanプロセスによる奇妙スカラーおよびフェルミオンの生成断面積を評価する。
• 仮想の100 TeV加速器への分析を拡張し、パートオンのランクスケーリングを用いて断面積の増加を推定する。
• さまざまな質量範囲および結合定数におけるヒッグス媒介とDrell-Yanチャネルの相対的寄与を比較する。
• 最小モデルとして、1つの複素スカラー多重項またはSMゲージ量子数を持つ1つのカイラルフェルミオン（例：タイプIおよびタイプIIIシー・スワップ）を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける奇妙フェルミオンのヒッグス媒介グルーオン-グルーオン融合は、Drell-Yan生成と比べてどの程度顕著か？
• RQ2 ヒッグス媒介生成が電弱またはQCD誘発プロセスを上回る条件は何か？
• RQ3 将来の100 TeV陽子-陽子衝突加速器における奇妙スカラーおよびフェルミオンの予想生成率は何か？
• RQ4 パートオンランクおよびセンター・オブ・マスエネルギーが、ヒッグス媒介とDrell-Yanチャネルの支配的さに与える影響は何か？
• RQ5 TeVスケールのシー・スワップモデルにおけるヒッグス交換は、ニュートリノ質量生成にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 質量が120 GeV未塔の奇妙フェルミオンに対して、最小シー・スワップモデルにおいてヒッグス媒介グルーオン-グルーオン融合がDrell-Yan生成を上回る。
• $ \sqrt{s} = 14 $ TeVのとき、四次結合定数が $ \gtrsim \mathcal{O}(1) $ の場合、ヒッグス媒介寄与は奇妙スカラー生成において顕著であり、QCDおよび電弱補正と同等の大きさになる。
• $ \sqrt{s} = 100 $ TeVのとき、グルーオン-グルーオン融合断面積は14 TeVのときと比べて2桁増加し、スカラー質量が260 GeVまで支配的になる。
• 100 TeV加速器で $ L = 10 $ ab⁻¹ の場合、質量が100〜700 GeVの範囲では、単一電荷を帯びたスカラー粒子のペアが少なくとも $ 10^7 $ から $ 10^4 $ 個生成される。
• $ \sqrt{s} = 100 $ TeVのとき、$ M_k \gtrsim 300 $ GeV の奇妙フェルミオンに対してグルーオン-グルーオン融合メカニズムが完全に支配的となり、Drell-Yanを1桁上回る。
• ヒッグスポータル相互作用は、特に高エネルギー加速器において、奇妙粒子の全生成断面積に無視できない寄与を提供する。