[論文レビュー] Snowmass White Paper: Prospects of CP-violation measurements with the Higgs boson at future experiments

A. V. Gritsan, Bahl, H.+16 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、将来の加速器（光子、ミュオン、ハドロン、電子陽電子、レプトン-ハドロン加速器を含む）におけるヒッグスボソンの相互作用におけるCP対称性の破れの測定可能性を評価する。ヒッグス崩壊および生成過程を通じてCP奇の結合への感度を予測し、将来的な実験が電気双極子モーメント（EDM）制約と同等の水準でCP対称性の破れパラメータを探索可能であることを示している。特に複数の結合定数が非ゼロの場合、EDMの制約がキャンセル効果により緩和されるため、その傾向が顕著になる。

ABSTRACT

The search for CP violation in interactions of the Higgs boson with either fermions or bosons provides attractive reference measurements in the Particle Physics Community Planning Exercise (a.k.a. "Snowmass"). Benchmark measurements of CP violation provide a limited and well-defined set of parameters that could be tested at the proton, electron-positron, photon, and muon colliders, and compared to those achieved through study of virtual effects in electric dipole moment measurements. We review the current status of these CP-sensitive studies and provide projections to future measurements.

研究の動機と目的

• 将来の加速器がフェルミオンおよびゲージボソンとのヒッグスボソンのCP対称性の破れ結合定数に対してどの程度感度を持つかを評価すること。
• 将来の加速器実験の到達可能性を、既存の電気双極子モーメント（EDM）測定による制約と比較すること。
• 異なる加速器タイプにおいて、CP奇の結合定数の測定に最も有望なヒッグス生成および崩壊チャネルを特定すること。
• 複数の非ゼロCP奇結合定数が存在する影響、特にEDMのキャンセル効果によるパrameter spaceのデゲネラシーの問題を定量化すること。

提案手法

• 有効場理論（EFT）を用いて、ウィルソン係数を介してCP奇のヒッグス結合をパrameter化し、観測可能な崩壊率および生成率と関連付ける。
• CP対称性の破れ効果を$VV'$、$ff'$、$gg$最終状態におけるヒッグス崩壊に表現するため、$f_{CP}^{X}$形式を適用する。
• $H\to\gamma\gamma$、$HZ\gamma$、$HZZ$、$HWW$、$Ht\bar{t}$、$H\to\tau^+\tau^-$過程の信号率とバックグラウンドをシミュレートすることで、将来の加速器における感度を予測する。
• ハドロンおよび原子核行列要素を用いてEFT係数をEDM予測に変換することで、加速器の到達可能性とEDM制約を比較する。
• 制約されていない結合定数の線形結合をマージナル化することで、EDM制約下での許容可能なパrameter spaceを評価する。
• Rfitアプローチを用いて原子核行列要素を変動させ、$Hgg$、$Huu$、$Hdd$結合定数に対するEDMに基づく制約の不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の光子、ミュオン、電子陽電子加速器が、ゲージボソンおよびフェルミオンとのCP奇のヒッグス結合定数に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 複数のCP奇結合定数が同時に非ゼロの場合、EDM制約と加速器ベースの感度はどのように比較されるか？
• RQ3 EDM寄与のキャンセル効果により、厳密なEDMの上限にもかかわらず、CP奇結合定数が大きな値をとれる範囲はどの程度か？
• RQ4 原子核行列要素の不確実性が、ヒッグスCP奇結合定数に対するEDM制約の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 どのヒッグス生成および崩壊チャネルが、将来の加速器においてCP対称性の破れを最も感度よく探査できるか？

主な発見

• 将来の加速器は、$H\gamma\gamma$、$HZ\gamma$、$HZZ$結合に対して、現在のEDM制約と同等の感度を持つ可能性を有する。
• CP奇結合定数が1つだけ非ゼロの場合、$Hgg$、$Huu$、$Hdd$結合を除き、EDM制約は通常、LHCの制約よりも数個のオーダー以上に厳しい。
• 複数の非ゼロ結合、例えば$f_{CP}^{H\gamma\gamma}$、$f_{CP}^{HZ\gamma}$、$f_{CP}^{HZZ}$が存在する場合、EDM寄与のキャンセルにより、パrameter spaceの大部分が許容される。
• $Hgg$、$Huu$、$Hdd$結合に対しては、中性子およびHgのEDMが主な制約を占め、原子核行列要素の中央値と極端な値の使用による限界の差が約$\sim10^3$のスケールで変動する。
• $f_{CP}^{H\gamma\gamma}$および$f_{CP}^{H\tau\tau}$のEDM制約は、14 TeVでのLHC感度と同等であり、将来的な加速器がこれらのチャネルでLHCを上回る可能性がある。
• EDMのキャンセルが存在する中でも、複数の崩壊チャネルおよび生成モードを組み合わせた加速器測定により、大きなパrameter spaceの領域を除外できる。