[논문 리뷰] Anomalous Higgs Yukawa Couplings and Recent LHC Data

Arindam Das, Nobuhito Maru외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런-2에서 관측된 증가한 $t\bar{t}H$ 생성 현상이 최근 CMS에서 보고한 바에 따르면 표준모형(SM) 예측보다 $1.5 \pm 0.5$ 배 높은 신호 강도를 보이며, 이에 기인한 비정상적인 힉스 요크하우-커플링(상호작용)이 토프 및 바텀 쿼크와의 상호작용에서 발생할 수 있는지 조사한다. 연구 결과, 바텀 요크하우-커플링이 10–40% 감소하고, 토프 커플링이 0–20% 범위에서 변할 경우, CMS 런-2 데이터와 LHC 런-1에서의 힉스 신호 강도 제약 조건을 동시에 만족하는 것이 가능하다고 밝혔다.

ABSTRACT

Very recently, the CMS collaboration has reported a search for the production for a Standard Model (SM) Higgs boson in association with a top quark pair ($t bar{t} H$) at the LHC Run-2 and a best fit $t bar{t} H$ yield of $1.5 pm 0.5$ times the SM prediction with an observed significance of $3.3 sigma$. We study a possibility of whether or not this observed deviation can be explained by anomalous Higgs Yukawa couplings with the top and the bottom quarks, along with the LHC Run-1 data for the Higgs boson properties. We find that anomalous top and bottom Yukawa couplings with about $0-20$% and $10-40$% reductions from their SM values, respectively, can simultaneously fit the recent CMS result and the LHC Run-1 data.

연구 동기 및 목표

• LHC 런-2에서 관측된 $3.3\sigma$ 초과 현상인 $t\bar{t}H$ 생성 현상이 비정상적인 힉스 요크하우-커플링으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 비정상적인 커플링이 다양한 붕괴 모드에서의 힉스 신호 강도에 대한 LHC 런-1의 종합적 데이터와 일치하는지 테스트하기 위해.
• CMS 런-2 결과와 런-1 제약 조건을 동시에 만족하는 $(c_t, c_b)$-평면 상의 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 랜덤-선드럼 및 복합 힉스 모형과 같은 잘 정립된 뒷받침되는 뒷모델(BSM) 내에서 이러한 편차의 타당성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 톱 및 바텀 요크하우-커플링의 편차를 $Y_t = c_t Y_t^{\text{SM}}$ 및 $Y_b = c_b Y_b^{\text{SM}}$로 매개변수화하며, $c_t, c_b = 1$일 경우 표준모형(SM)에 해당한다.
• 히iggs 붕괴의 부분 폭을 계산하며, $\Gamma_{H \to gg} \propto c_t^2$, $\Gamma_{H \to bb} \propto c_b^2$, 그리고 토프 및 광자 기여를 통한 루프 기여로 인한 $\Gamma_{H \to \gamma\gamma}$를 포함한다.
• 런-1 데이터에서의 제약 조건을 적용하여 $X = \gamma\gamma, WW, ZZ, bb, \tau\tau, ttH$에 대해 신호 강도 $\mu_X = \sigma_{\text{prod}} \times \text{BR}(H \to X) / \sigma_{\text{SM}} \times \text{BR}_{\text{SM}}(H \to X)$를 계산한다.
• $(c_t, c_b)$ 매개변수 공간을 스캔하기 위해 CMS 런-2 결과 $\mu^{ttH} = 1.5 \pm 0.5$를 핵심 제약 조건으로 사용한다.
• 런-1에서의 68% 신뢰수준(C.L.) 제약 조건 적용: $0.96 \leq \mu^{\gamma\gamma} \leq 1.33$, $0.93 \leq \mu^{WW} \leq 1.27$, $1.06 \leq \mu^{ZZ} \leq 1.55$, $0.43 \leq \mu^{bb} \leq 0.99$, $0.89 \leq \mu^{\tau\tau} \leq 1.35$, 및 $1.0 \leq \mu^{ttH} \leq 2.0$.
• 모든 제약 조건을 동시에 만족하는 $(c_t, c_b)$-평면 상의 허용 영역을 규명하며, 특히 감소된 바텀 요크하우-커플링이 $WW/ZZ$ 붕괴 비율 증가에 기여하는 역할을 중점적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상적인 힉스-톱 및 힉스-바텀 요크하우-커플링이 LHC 런-2에서 CMS가 관측한 $3.3\sigma$ 초과 현상인 $t\bar{t}H$ 생성 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 톱 및 바텀 요크하우-커플링의 어떤 범위의 편차가 CMS 런-2에서의 $t\bar{t}H$ 신호 강도와 LHC 런-1에서의 힉스 신호 강도 데이터와 동시에 일치하는가?
• RQ3 순수하게 감소된 바텀 요크하우-커플링만으로도 관측된 $t\bar{t}H$ 증가 현상을 설명할 수 있고, 런-1 제약 조건과도 일치하는가?
• RQ4 비정상적인 커플링 존재 하에서 $c_t$ 및 $c_b$에 따라 다양한 힉스 붕괴 모드의 부분 폭 및 신호 강도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 랜덤-선드럼 또는 복합 힉스 모델 등에서 요크하우-커플링이 표준모형 예측에서 벗어나는 경우, 이러한 비정상적인 커플링이 갖는 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 바텀 요크하우-커플링을 10–40% 감소시킬 경우($c_b \approx 0.6$에서 $0.9$ 사이), 런-1 데이터와도 일치하면서 증가된 $t\bar{t}H$ 신호 강도를 설명하는 데 충분하다.
• 가장 경제적인 해결책은 바텀 요크하우-커플링만 감소시키고, 토프 커플링($c_t$)은 표준모형 값에서 0–20% 범위 내에서 변동하는 것으로 구성된다.
• 허용 영역은 CMS 런-2의 $t\bar{t}H$ 신호 강도와 런-1의 신호 강도 제약 조건에 의해 제약을 받으며, 논문의 그림에서 회색으로 칠해진 영역가 모든 제약 조건을 동시에 만족한다.
• 감소된 $\Gamma_{H \to bb}$로 인해 $WW/ZZ$ 붕괴 비율이 증가하는 것이 관측된 $WW/ZZ$ 붕괴 비율 증가의 근본 원인이다.
• 비록 비정상적인 커플링이 존재하더라도, 이 모델은 $\gamma\gamma$ 및 $\tau\tau$의 신호 강도와도 일치한다. 이는 이러한 모드가 $c_b$에 대해 매우 민감하지 않기 때문이다.
• 미래의 고정밀도 실험, 예를 들어 ILC는 바텀 요크하우-커플링을 약 ${\cal O}(1)\%$ 수준의 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 본 시나리오에 대한 결정적인 검증을 가능하게 한다.