[論文レビュー] Probing Higgs-muon interactions at a multi-TeV muon collider

Eugenia Celada, Tao Han+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、SMEFTおよびHEFTの有効場理論フレームワークを用いて、10 TeV級ミューオン衝突機におけるヒッグス-ミューオン相互作用への感受性を調査し、最大5粒子の多ボソン最終状態の直接生成に注目する。10 TeVのミューオン衝突機は、特に純粋に多ヒッグス生成過程において、高輝度LHCに比べてミューオンおよび多ヒッグスカップリングへの感受性が顕著に優れていることが示された。これは、ミューオンヤクバイ・セクターにおける新しい物理現象に特異に感受する。

ABSTRACT

We study the capabilities of a muon collider, at 3 and 10 TeV center-of-mass energy, of probing the interactions of the Higgs boson with the muon. We consider all the possible processes involving the direct production of EW bosons ($W,Z$ and $H$) with up to five particles in the final state. We study these processes both in the HEFT and SMEFT frameworks, assuming that the dominant BSM effects originate from the muon Yukawa sector. Our study shows that a Muon Collider has sensitivity beyond the LHC, as it not only relies on the Higgs-decay branching fraction to muons. A 10 TeV muon collider provides a unique sensitivity on muon and (multi-) Higgs interactions, significantly better than the 3 TeV option. We find searches based purely on multi-Higgs production to be particularly effective in probing these couplings.

研究の動機と目的

• 高輝度LHCの到達域を超えて、ミューオン衝突機がヒッグス-ミューオン相互作用を探査する可能性を評価すること。
• 有効場理論フレームワークを用いて、ミューオンヤクバイ・セクターにおける新しい物理現象へのミューオン衝突機の感受性を検討すること。
• 多ボソン最終状態の直接生成を通じて、標準模型以外のヒッグスおよび多ヒッグスカップリングの発見可能性を評価すること。
• 3 TeVおよび10 TeVのミューオン衝突機の性能を比較し、有効場理論パラメータを制約する能力を評価すること。
• 特に複数のヒッグスボソンを含む状態において、ミューオン-ヒッグス相互作用を探査する上で最も感受性が高い最終状態を同定すること。

提案手法

• ミューオンヤクバイ・セクターに起因するBSM効果を記述するため、SMEFTおよびHEFTの両方を用いて理論的枠組みを構築する。
• ユニタリティ制約および高エネルギーアモルプス計算を適用し、6粒子最終状態までを含むEFTシナリオの有効性を制限する。
• 3 TeVおよび10 TeVの中心系エネルギーにおける多ボソン過程（H、W、Z、ヒッグスおよびゲージボソン最終状態）の詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• プロファイル尤度比検定を用いた統計的解釈により、EFTパラメータの95%信頼区間の上限を導出する。
• SMEFT-HEFTマッチング関係から導かれる接触相互作用項を用いて、高エネルギーにおける断面積の近似を導出する。
• さまざまな最終状態、特に5次元過程を含むものにおいて、断面積がEFTパラメータαiおよびβkにどのように依存するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 TeVのミューオン衝突機は、標準模型予測と比較してヒッグス-ミューオンヤクバイカップリングのずれに対してどの程度感受性を示すか？
• RQ2 どの多ボソン最終状態がミューオンヤクバイ・セクターにおけるBSM物理に対して最も感受性を示すか？
• RQ3 3 TeVと10 TeVのミューオン衝突機の性能を比較すると、ヒッグスおよび多ヒッグス相互作用の探査において、どちらが優れているか？
• RQ4 SMEFTおよびHEFTフレームワークは、多ヒッグスおよび多ゲージボソン過程の断面積予測において、どのように比較されるか？
• RQ5 多ヒッグス生成過程のみで、ヒッグス-ミューオン相互作用セクターをどの程度まで制約できるか？

主な発見

• 10 TeVのミューオン衝突機は、3 TeVの選択肢と比較して、特にヒッグス-ミューオンヤクバイカップリングの探査において顕著に優れた感受性を示す。
• 多ヒッグス生成過程（例：µ⁺µ⁻ → nH、n ≥ 2）は、ミューオンヤクバイ・セクターにおけるBSM物理を制約する上で特に効果的であることが判明した。
• この研究は、ヒッグス崩壊分岐比がミューオンに依存しない点から、ミューオン衝突機の感受性が高輝度LHCを上回ることを示した。
• EFTパラメータ（α₁, α₂）および（α₂, α₃）に対する制約は、10 TeVで3 TeVよりも顕著に厳しくなっており、前者では10 TeVを超える新しい物理スケールの感受性が達成された。
• 理論的ユニタリティ制約および高エネルギーアモルプス計算により、高エネルギー域で接触相互作用が支配的であることが確認され、有効場理論近似の妥当性が裏付けられた。
• 複数のヒッグスボソンを含む最終状態（例：HHHH、HHHHϕ⁰）は、組み合わせ（1 − α₁ + α₂ − α₃ + α₄ − α₅）に強く依存しており、EFTにおける高次元演算子への感受性が示された。