[논문 리뷰] Constraining the Higgs couplings to up and down quarks using production kinematics at the CERN Large Hadron Collider

Gage Bonner, Heather E. Logan|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 네 레프톤 붕괴 채널에서 힉스 보손의 횡방향 운동량 ($p_T$) 분포를 사용하여 업 쿼크와 다운 쿼크가 힉스 보손과의 요카다 상호작용을 제약하는 방법을 제안한다. $p_T$ 스펙트럼의 운동학적 비대칭성을 분석함으로써 경쟁 가능한 민감도를 확보하며, 13 TeV 데이터에서 3000 fb$^{-1}$의 통합 루미너스를 바탕으로 95% 신뢰수준에서 $-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$ 및 $-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$를 도출한다. 여기서 $\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$는 바텀 쿼크 상호작용에 대한 상대적 상호작용 강도를 스케일링한 것이다.

ABSTRACT

We study the prospects for constraining the Higgs boson's couplings to up and down quarks using kinematic distributions in Higgs production at the CERN Large Hadron Collider. We find that the Higgs $p_T$ distribution can be used to constrain these couplings with precision competitive to other proposed techniques. With 3000 fb$^{-1}$ of data at 13 TeV in the four-lepton decay channel, we find $-0.73 \\lesssim \\bar{\\kappa}_u \\lesssim 0.33$ and $-0.88 \\lesssim \\bar{\\kappa}_d \\lesssim 0.32$, where $\\bar{\\kappa}_q = (m_q/m_b) \\kappa_q$ is a scaling factor that modifies the $q$ quark Yukawa coupling relative to the Standard Model bottom quark Yukawa coupling. The sensitivity may be improved by including additional Higgs decay channels.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 운동학적 분포를 활용하여 경량 쿼크(업 및 다운)에 대한 힉스 보손의 요카다 상호작용을 제약하는 새로운 방법을 개발하는 것.
• 특히 매우 약한 상호작용으로 인해 직접 측정하기 어려운 힉스 보손의 업 및 다운 쿼크와의 상호작용이 표준모형 예측에서 벗어나는지 여부를 테스트하는 것.
• 표준모형 외의 신체계의 영향을 반영하는 전반적 신호 강도 피팅과의 보완적 접근을 제공하기 위해, 네 레프톤 최종 상태에서의 횡방향 운동량($p_T$) 분포를 사용하는 것.
• 표준모형의 바텀 쿼크 상호작용에 대한 상대적 강도로 정의된 $\bar{\kappa}_q = (m_q/m_b)\kappa_q$ 매개변수의 변화에 대한 이 방법의 민감도를 평가하는 것.
• 이중 광자 최종 상태와 같은 추가 붕괴 채널을 포함함으로써 민감도 향상 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 힉스 보손의 횡방향 운동량($p_T$) 분포를 사용하여 업 및 다운 쿼크와의 요카다 상호작용의 변화를 탐지한다.
• 신호 모델 간의 운동학적 차이를 수량화하기 위해 비대칭도 $A_T = 1 - 2\mathcal{P}$를 정의하며, 여기서 $\mathcal{P}$는 $p_T < p_T^{\text{cut}}$ 조건을 만족하는 힉스 보손의 비율이다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 생산 및 붕괴 과정을 모델링하고, 표준모형과 $\bar{\kappa}_u$ 또는 $\bar{\kappa}_d$가 수정된 모델 간의 $p_T$ 스펙트럼을 비교한다.
• 통계적 불확실성은 비율의 분산을 기반으로 추정하며, $\sigma^\text{stat}_{A_T} = \sqrt{(1 - A_T^2)/N_{\text{tot}}}$로 표현되며, 여기서 $N_{\text{tot}}$는 총 사건 수이다.
• 이론적 및 실험적 체계적 오차가 무시 가능하다고 가정하여 개념 증명을 목적으로 통계적 민감도에 집중한다.
• 13 TeV 중심질량 에너지에서 3000 fb$^{-1}$의 통합 루미너스를 대상으로 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히iggs 보손의 횡방향 운동량($p_T$) 분포를 사용하여 업 및 다운 쿼크와의 요카다 상호작용을 기존 방법과 경쟁 가능한 민감도로 제약할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 외의 $\bar{\kappa}_u$ 및 $\bar{\kappa}_d$ 값의 변화가 네 레프톤 최종 상태에서의 힉스 보손 $p_T$ 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 13 TeV LHC 데이터에서 3000 fb$^{-1}$를 사용할 경우, $p_T$ 기반 방법의 $\bar{\kappa}_u$ 및 $\bar{\kappa}_d$에 대한 기대 민감도는 어떠한가?
• RQ4 표준모형과 새로운 물리학의 진폭 간 간섭이 민감도에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 $\bar{\kappa}_q$ 값이 음수일 경우 어떻게 되는가?
• RQ5 이중 광자 최종 상태를 포함하면 $p_T$ 기반 제약 방법의 민감도가 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 3000 fb$^{-1}$의 13 TeV 데이터로, 이 방법은 95% 신뢰수준에서 $\bar{\kappa}_u$를 $-0.73 \lesssim \bar{\kappa}_u \lesssim 0.33$ 범위로 제약한다.
• 다운 쿼크의 경우 95% 신뢰수준에서 제약 범위가 $-0.88 \lesssim \bar{\kappa}_d \lesssim 0.32$이며, 이는 $\bar{\kappa}_u$에 비해 다소 더 높은 민감도를 나타낸다.
• 표준모형과 새로운 물리학 진폭 간의 간섭으로 인해 음수의 $\bar{\kappa}_q$ 값일 경우 민감도가 떨어지며, 이는 $p_T$ 분포에서 파악된다.
• 표준모형에서 $h \to gg$ 붕괴 분율은 8.6%이지만, $\bar{\kappa}_u = 0.33$ 및 $\bar{\kappa}_d = 0$일 경우 7.3%로 감소하여 힉스 생성 운동학의 변화를 반영한다.
• 이 방법은 힉스 신호 강도의 전반적 피팅과 수직적 관계를 가지며, 함께 조합하여 전체 정밀도를 향상시킬 수 있다.
• 이중 광자 최종 상태를 포함하면 민감도 향상 가능성이 있으며, 보조 연구 결과에 의해 지지된다.