[논문 리뷰] Directly Probing the CP-structure of the Higgs-Top Yukawa at HL-LHC and Future Colliders

Rahool Kumar Barman, Morgan E. Cassidy외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 힉스-톱 양자역학적 쿠론 상호작용의 CP 대칭 위반 성질을 직접 탐지하기 위해, HL-LHC, 100 테바르드 FCC, 향후 양성자 충돌기에서 힉스 보존과 함께 토프 쿼크 쌍을 생성하는 과정을 연구한다. 다변량 분석을 통해 CP-홀드 및 CP-짝수 관측량을 분석함으로써, 향후 충돌기에서는 CP 위반 위상 α에 대해 1도 이내의 감도를 확보할 수 있음을 보여주며, 100 테바르드 FCC와 30 테바르드 양성자 충돌기에서는 |α| ≲ 3°의 경계를 확보한다.

ABSTRACT

Constraining the Higgs boson properties is a cornerstone of the LHC program and future colliders. In this Snowmass contribution, we study the potential to directly probe the Higgs-top CP-structure via the $t\\bar{t}h$ production at the HL-LHC, 100 TeV FCC and muon colliders. We find the limits on the CP phase ($\\alpha$) at 95% CL are $|\\alpha| \\lesssim 36^\\circ$ with dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $ and $|\\alpha| \\lesssim 25^\\circ$ with combined $t\\bar t (h\ o \\gamma\\gamma) $ at the HL-LHC. The 100 TeV FCC brings a significant improvement in sensitivity with $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for the dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $, due to the remarkable gain in the signal cross-section and the increased luminosity. At future muon colliders, we find that the bounds with semileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) \ u\\bar\ u$ are $|\\alpha| \\lesssim 9^\\circ$ for 10 TeV and $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for 30 TeV, respectively.

연구 동기 및 목표

• Higgs-top Yukawa 상호작용의 CP-홀드 위상 α에 대한 향후 충돌기의 감도를 평가하는 것.
• 이중 렙톤, 반-렙톤, 하드론 채널 등 다양한 최종 상태가 CP-대칭 위반 성질을 제약하는 데 기여하는 방식을 평가하는 것.
• Fisher 정보와 완전한 충돌기 시뮬레이션을 활용해 HL-LHC, 100 테바르드 FCC, 양성자 충돌기 간의 감도를 비교하는 것.
• 다변량 분석 및 운동량 재구성 기법이 CP 위상 감도에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 다양한 충돌기 조건과 최종 상태에서 95% 신뢰수준의 α 위반 위상에 대한 경계를 예측하는 것.

제안 방법

• CP 위반 위상 α를 포함한 Higgs-top Yukawa 상호작용의 효과적 라그랑지안 기반 수식을 사용: 𝒟ℒ ⊃ −(m_t/v)κ_t ̄t(cosα + iγ₅sinα)t h.
• CP-홀드 및 CP-짝수 운동량 관측량(예: Δϕᵢₖᵗᵗ̄ 및 θ*)의 정보 내용을 정량화하기 위해 Fisher 정보를 적용한다.
• 양성자 충돌기 시나리오에서 검출기 효과 및 제트 에너지 스메어링을 포함한 신호 대 배경 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 다양한 관측량을 통합하여 α에 대한 감도를 극대화하기 위해 다변량 분석 기법을 구현한다.
• 중심 질량 에너지에 따른 단면적의 α 의존성을 분석하여, 다양한 충돌기 에너지에서의 감도를 유추한다.
• VBF 과정에서 특이성을 피하기 위해 p_T^μ > 10 GeV 컷을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC에서 t̄th 최종 상태를 사용할 때 Higgs-top Yukawa 상호작용의 CP-대칭 위반 성질에 대한 감도는 어떠한가?
• RQ2 100 테바르드 FCC에서 HL-LHC에 비해 감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 10 테바르드 및 30 테바르드 중심 질량 에너지를 가진 향후 양성자 충돌기에서 CP 위반 위상 α에 대한 경계는 어떠한가?
• RQ4 이중 렙톤, 반-렙톤, 하드론 최종 상태는 CP 위상 감도에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 단일 변수 관측량 대비 다변량 분석이 CP-홀드 위상 감도에 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• HL-LHC에서 이중 렙톤 t̄th (h→bb̄) 최종 상태의 경우 95% 신뢰수준에서 |α| ≲ 36°의 경계를 확보한다.
• HL-LHC에서 t̄th (h→γγ) 채널을 통합할 경우 감도가 향상되어 95% 신뢰수준에서 |α| ≲ 25°로 개선된다.
• 100 테바르드 FCC에서는 높은 루미너시티와 신호 단면적 증가로 인해 이중 렙톤 t̄th (h→bb̄) 최종 상태에서 |α| ≲ 3°의 감도를 확보한다.
• 10 테바르드 양성자 충돌기에서 반-렙톤 t̄th (h→bb̄)νν̄ 최종 상태에 대해 10 ab⁻¹의 통합 루미너시티로 |α| ≲ 9°의 경계를 확보한다.
• 30 테바르드 양성자 충돌기에서 동일한 루미너시티 조건에서 경계는 |α| ≲ 3°로 더욱 강화되며, 감도 향상의 명확한 증거를 보여준다.
• t̄thνν̄ 및 tbhμν 과정의 신호 단면적은 t̄th와는 반대 방향으로 α에 의존하므로, 상호 보완적인 감도를 제공한다.