[논문 리뷰] Determination of the muon Yukawa coupling at high energy e+e- linear colliders

M. Battaglia, A. De Roeck|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 희귀한 힉스 붕괴 $H^0 \to \mu^+\mu^-$를 통해 뮤온 요카다 상호작용을 측정하는 방법을 제안한다. $\sqrt{s} = 0.8$ TeV와 $3.0$ TeV에서 각각 1 ab$^{-1}$ 및 5 ab$^{-1}$ 광도로 힉스-스트라할링 및 $WW$ 융합 과정을 사용하여, $M_H \leq 155$ GeV 범위에서 $5\sigma$ 신호 유의도를 입증하고, $g_{H\mu\mu}$를 4%–11%의 정확도로 결정함으로써 렙톤에 대한 힉스 매개 질량 생성 메커니즘을 확인한다.

ABSTRACT

The perspectives for the observation of the rare decay H -> mumu decay and the determination of the muon Yukawa coupling at a TeV-class and at a multi-TeV e+e- linear colliders are discussed. The signal for the decay can be obtained at 0.8 TeV and a first estimate of the coupling derived. A linear collider operating at 3 TeV, with high luminosity, is able to improve the accuracy on this couplings to 4% to 11% for 120 GeV < M_H < 150 GeV.

연구 동기 및 목표

• 질량 생성의 힉스 메커니즘을 검증하기 위해 뮤온 요카다 상호작용 $g_{H\\mu\\mu}$를 측정하는 것.
• 고에너지 $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 희귀한 힉스 붕괴 $H^0 \to \mu^+\mu^-$의 분해율을 결정하는 것.
• 펌프론 질량에 따라 스케일링되는 것을 검증함으로써 힉스 상호작용의 정밀도 검증을 렙톤 영역으로 확장하는 것.
• 이 측정에 대해 테르바 클래스 및 다이티어미터 $e^+e^-$ 충돌기의 성능를 비교하는 것.
• $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴를 주요 배경과 대비해 관측할 수 있는 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 신호 사건은 $H^0 \to \mu^+\mu^-$의 $WW$ 융합 및 힉스-스트라할링 과정에 대해 Pythia-6 몬테카를로를 사용하여 생성한다.
• 배경 과정으로서 $WW \to \mu\nu\mu\nu$, $ZZ \to \mu\mu\nu\bar{\nu}$, 및 $\mu\mu\nu\bar{\nu}$는 CompHEP과 Pythia를 사용하여 시뮬레이션한다.
• 검출기 응답은 TeV 및 다이티어미터 LC 기대치에 맞추어 校정된 Simdet 파arametric 시뮬레이션을 사용하며, 뮤온 운동량 해상도는 $\delta p/p^2 = 5 \times 10^{-5}$ GeV$^{-1}$이다.
• 신호 및 배경 단면적은 CompHEP를 사용하여 계산하고, 분해율은 HDecay를 사용하여 계산한다.
• 이중 뮤온 진동 질량 분포는 가우시안 신호 및 다항식 배경으로 피팅되어 신호 사건을 추출할 수 있다.
• 생산 단면적에 2%의 불확도가 있다고 가정할 때, 측정된 $\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$에서 뮤온 요카다 상호작용을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적분 광도 1 ab$^{-1}$인 $\sqrt{s} = 0.8$ TeV에서 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴를 관측할 수 있는가?
• RQ2 3 TeV $e^+e^-$ 선형 충돌기에서 5 ab$^{-1}$로 뮤온 요카다 상호작용 $g_{H\mu\mu}$를 측정할 수 있는 정확도는 얼마인가?
• RQ3 이 측정에 대해 다이티어미터 $e^+e^-$ 충돌기의 성능가 뮤온 충돌기 또는 하드론 충돌기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기에서 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 붕괴를 효율적으로 재구성하고 배경과 분리할 수 있는가?
• RQ5 $\sqrt{s} = 3.0$ TeV에서 $H^0 \to \mu^+\mu^-$에 대해 $5\sigma$의 신호 유의도를 확보할 수 있는 최대 힉스 질량은 얼마인가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 0.8$ TeV에서 1 ab$^{-1}$일 때, $M_H \simeq 120$ GeV에서 $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 신호는 $5\sigma$ 이상의 유의도로 관측된다.
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV에서 5 ab$^{-1}$일 때, $M_H = 120$ GeV에서 $\sigma(e^+e^- \to H\nu\bar{\nu}) \times \text{BR}(H \to \mu^+\mu^-)$의 통계적 정확도는 7.2%에 도달한다.
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV에서 5 ab$^{-1}$일 때, $M_H = 120$ GeV에서 뮤온 요카다 상호작용 $g_{H\mu\mu}$의 정확도는 4.0%로 향상되고, $M_H = 140$ GeV에서는 6.2%가 된다.
• $M_H = 150$ GeV일 때, $g_{H\mu\mu}$의 정확도는 10.6%이며, 이는 $WW$ 임계값 근처에서 성능의 한계를 나타낸다.
• $\sqrt{s} = 3.0$ TeV에서 5 ab$^{-1}$일 때, $H^0 \to \mu^+\mu^-$ 신호는 $M_H \simeq 155$ GeV까지 관측 가능하며, $>5\sigma$의 유의도를 유지한다.
• 3 TeV $e^+e^-$ 충돌기에서 $g_{H\mu\mu}$ 결정의 정확도는 힉스 피크에서 뮤온 충돌기와 유사하며, 200 TeV VLHC의 두 배 이상 뛰어나다.