[논문 리뷰] Enhancement of Higgs Production Through Leptoquarks at the LHC

Arvind Bhaskar, Debottam Das외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 확장된 표준모형 내에서 렙토쿠아크(LQs)와 오른쪽 편성 스칼라 중성미우(sterile neutrinos)가 주로 제1 및 제2세대 쿼크에 대해 다운형 쿼크 요카다 상수를 크게 증가시킬 수 있으며, 이는 힉스 생산에 있어 비가로막히지 않는 쿼크 융합 기여를 초래한다. 특히, O(1) 수준의 LQ 결합을 가진 가벼운 SM-단일성 스칼라 φ에 대해 이 기여가 글루온 융합을 초월할 수 있으며, 고광도 LHC에서 큰 디제트 브랜치 분율을 통해 검증 가능하다.

ABSTRACT

The Standard Model (SM) when extended with a Leptoquark (LQ) and right handed neutrinos, can have interesting new implications for Higgs physics. We show that the sterile neutrinos can induce a significant boost to the down-type quark Yukawa interactions through a diagonal coupling associated with the quarks and a scalar LQ of electromagnetic charge $1/3$. The relative change is much more pronounced in case of the first two generations of quarks as they have vanishingly small Yukawa couplings in the SM. The enhancement in the couplings would also lead to a non-negligible contribution of the quark fusion process to the production of the 125 GeV Higgs scalar in the SM, though the gluon fusion always dominates. However, this may not be true for a general scalar. As an example, we consider a scenario with a SM-gauge-singlet scalar $\phi$ where an $\mathcal O(1)$ coupling between $\phi$ and the LQ is allowed. The $\phi q \bar{q}$ Yukawa couplings can only be generated radiatively through a loop of LQ and sterile neutrinos. Here, the quark fusion process can have significant cross section, specially for a light $\phi$. It can even supersede the normally dominant gluon fusion process for a moderate to large value of the LQ mass. This model can be tested/constrained at the high luminosity run of the LHC through a potentially large branching fraction of the scalar to two-jets.

연구 동기 및 목표

• 확장된 표준모형 내에서 렙토쿠아크와 스칼라 중성미우가 힉스 상호작용과 생산 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기.
• 특정 새로운 물리학 시나리오 하에서 쿼크 융합이 주요 힉스 생산 채널이 될 수 있는지 조사하기.
• 렙토쿠아크를 통해 루프 유도된 요카다 상호작용을 통해 결합된 SM-단일성 스칼라 φ의 현상학적 타당성 평가하기.
• 고광도 LHC에서 디제트 최종 상태를 통해 이 모형을 어떻게 검증할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 표준모형에 전하가 1/3인 렙토쿠아크(LQ)와 오른쪽 편성 스칼라 중성미우를 도입하기.
• 렙토쿠아크, 스칼라 중성미우, 다운형 쿼크 간의 대각선 결합을 통해 루프 보정을 통한 강화된 요카다 상호작용 생성하기.
• 쿼크에 대해 루프를 통해만 결합하는 SM 게이지 단일성 스칼라 φ를 스칼라 섹터로 모델링하기.
• 렙토쿠아크와 스칼라 중성미우를 포함한 1 루프 다이어그램을 통해 유도된 φq̄q 요카다 상호작용 계산하기.
• 글루온 융합과 쿼크 융합을 통한 힉스 유사 상태의 총 생산 단면적 계산하여 상대 기여 비교하기.
• φ가 가벼우며 LQ 질량이 중간에서 큰 범위에서 디제트로의 분해율 추정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙토쿠아크와 스칼라 중성미우가 표준모형 내에서 다운형 쿼크의 효과적 요카다 상수를 크게 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 쿼크 융합이 힉스 보손 생산에서 글루온 융합을 초월할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ3 루프 유도된 상호작용 덕분에 가벼운 SM-단일성 스칼라 φ가 쿼크 융합을 통해 주로 생성될 수 있는가?
• RQ4 제안된 모형에서 φ → jj 분해율의 크기는 얼마이며, LHC에서의 발견에 충분한가?
• RQ5 LQ 질량과 결합 강도는 φ 생성에서 쿼크 융합이 글루온 융합을 압도하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 렙토쿠아크와 스칼라 중성미우의 포함으로 제1 및 제2 쿼크 세대에 대해 다운형 쿼크 요카다 상수가 크게 증가한다.
• 강화된 쿼크 결합으로 인해 힉스 생산에 있어 쿼크 융합 기여가 비가로막히지 않게 되며, 이는 주로 글루온 융합 과정과 경쟁 가능해진다.
• 가벼운 SM-단일성 스칼라 φ에 대해 렙토쿠아크 결합이 O(1) 수준이면 루프 유도된 φq̄q 요카다 상호작용이 크게 되어 쿼크 융합이 글루온 융합을 초월할 수 있다.
• LQ 질량이 중간에서 큰 범위일 경우, 특히 φ가 가벼울 때 쿼크 융합 단면적이 글루온 융합을 초월할 수 있다.
• 이 모형은 φ → jj에 대해 잠재적으로 큰 분해율을 예측하여 고광도 LHC에서의 발견 신호로 유망하다.