[論文レビュー] Testing Effective Yukawa Couplings in Higgs Searches at the Tevatron and LHC

Emidio Gabrielli, B. Mele|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、フェルミオン質量が Λ > v のスケールにおける新しい物理学から生じる有効場理論フレームワークを提案する。これにより、電弱スケールにおける放射修飾効果的ヤコビ係数が生じる。軽いヒッグス粒子（mH < 150 GeV）では、H → γγ および WW/ZZ からの崩壊が顕著に増幅されるが、Λ に応じて H → b̄b が支配的または γγ 崩壊と同等の大きさになる。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）では、ベクトルボソン融合（VBF）が支配的となるヒッグス生成モードとなり、さまざまな崩壊チャネルにおいて Λ に対する強い感度が得られる。

ABSTRACT

We explore the possibility that, while the Higgs mechanism provides masses to the weak-gauge bosons at the electroweak scale as in the standard model, fermion masses are generated by an unknown mechanism at a higher energy scale. At low energies, the standard model can then be regarded as an effective field theory, where fermion masses explicitly break the electroweak SU(2)_L imes U(1)_Y gauge symmetry. If \Lambda is the renormalization scale where the renormalized Yukawa couplings vanish, then at energies lower than \Lambda, effective Yukawa couplings will be radiatively induced by nonzero fermion masses. In this scenario, Higgs-boson decays into photons and weak gauge-bosons pairs are in general quite enhanced for a light Higgs. However, depending on \Lambda, a substantial decay rate into b \bar{b} can arise, that can be of the same order as, or larger than, the enhanced H o gamma gamma rate. A new framework for Higgs searches at hadron colliders is outlined, vector-boson fusion becoming the dominant production mechanism at the CERN LHC, with an important role also played by the WH/ZH associated production. A detailed analysis of the Higgs branching fractions and their implications in Higgs searches is provided, versus the energy scale \Lambda.

研究の動機と目的

• フェルミオン質量が v より大きなスケール Λ で生成される状況を検討し、電弱対称性の破れが v ≈ 246 GeV で発生することを前提とする。
• Λ より低いエネルギーにおける放射修飾効果的ヤコビ係数の素粒子的現象的結果を、ローレンツ群（RG）手法を用いて検討する。
• Tevatron および LHC におけるヒッグス探索の感度が、Λ にどのように依存するかを評価する。特に、増幅された H → γγ および修正された H → b̄b 分岐比に注目する。
• この有効ヤコビ係数フレームワークにおいて、LHC におけるヒッグス生成メカニズムの主な寄与、特に VBF および WH/ZH 生成を特定する。

提案手法

• Λ を、正規化されたヤコビ係数が消えるレノルミゼーションスケールと定義し、対数補正 log^n(Λ/mH) の主要項を再結合するための RG 方程式を用いる。
• 1ループの RG 進化を用いて、v から Λ の間に顕著な新しい物理学がないと仮定し、電弱スケールにおける効果的ヤコビ係数を計算する。
• 効果的ヤコビ係数 Yf(mH) を RG の進行から得て、木図式およびループ誘導崩壊式を用いて部分幅を計算する。
• √s = 7 TeV および 14 TeV の LHC におけるベクトルボソン融合（VBF）、グルーオン融合（ggF）、WH/ZH 連携生成によるヒッグス生成断面積を分析する。
• mH および Λ のさまざまな値において、分岐比および信号強度を標準模型（SM）およびフェルミオフィリックヒッグス（FP）モデルと比較する。
• SM の入力パラメータ（例：mt = 171.3 GeV、αs(MZ) = 0.1172）を用いた数値的結果に基づき、さまざまな崩壊モードにおける断面積×分岐比を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオン質量が Λ > v のスケールで生成される場合、放射修飾効果的ヤコビ係数がヒッグスの分岐比にどのように影響を与えるか？
• RQ2 LHC における H → γγ、H → WW/ZZ、H → b̄b の相対的生成率に、スケール Λ がどのように影響を与えるか？
• RQ3 LHC におけるベクトルボソン融合（VBF）生成は、グルーオン融合に比べて Λ に対する感度を向上させるか？
• RQ4 Λ → mH の極限において、有効ヤコビ係数モデルが標準模型とフェルミオフィリックヒッグス状況の間を滑らかに内挿するか？
• RQ5 既存の Tevatron および LEP のデータから、mH および Λ に課せられる制約は何か？また、発見にはどの程度の統計的積算量が必要か？

主な発見

• mH < 150 GeV の場合、特に Λ が大きいと、トップおよび W ボソンのループ寄与により H → γγ 崩壊率が顕著に増幅される。
• Λ が大きいと、放射修飾効果的ヤコビ係数の影響により、H → b̄b 崩壊率が支配的または H → γγ と同等の大きさになる。
• LHC では、mH < 130–140 GeV の範囲でベクトルボソン融合（VBF）が支配的となるヒッグス生成モードとなり、グルーオン融合に比べて信号対背景比が優れている。
• VBF を通じた H → γγ の断面積×分岐比は、Λ > 10^4 GeV の場合、特に mH < 120 GeV の範囲で標準模型の予測を上回る。
• WH/ZH 連携生成チャネル、特に H → γγ 最終状態では、Λ に対して強い感度が得られ、Λ が大きい場合には信号強度が標準模型の予測を上回る。
• Λ → mH の極限において、すべての主要対数項が消えるため、モデルはフェルミオフィリックヒッグス状況に滑らかに還元される。