[논문 리뷰] Higgs at ILC in Universal Extra Dimensions in Light of Recent LHC Data

Takuya Kakuda, Kenji Nishiwaki외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 힉스 신호 강도 증가, 특히 이중 광자 붕괴 초과 현상이 우주적 초과 차원(UED) 모델로 어떻게 설명될 수 있는지 조사한다. 칼루차-클라인(KK) 루프 보정은 글루온 융합을 통한 힉스 생성을 최대 50% 증가시키지만, 이중 광자 브랜치 비율을 최대 80% 감소시킨다. 이는 고광도 운영 조건에서 국제 선형 충돌기(ILC)에서 탐지 가능한 서명이다.

ABSTRACT

We present bounds on all the known universal extra dimension models from the latest Higgs search data at the Large Hadron Collider, taking into account the Kaluza-Klein (KK) loop effects on the dominant gluon-fusion production and on the diphoton/digluon decay. The lower bound on the KK scale is from 500GeV to 1TeV depending on the model. We find that the Higgs production cross section with subsequent diphoton decay can be enhanced by a factor 1.5 within this experimental bound, with little dependence on the Higgs mass in between 115GeV and 130GeV. We also show that in such a case the Higgs decay branching ratio into a diphoton final state can be suppressed by a factor 80%, which is marginally observable at a high energy/luminosity option at the International Linear Collider. The Higgs production cross section at a photon-photon collider can also be suppressed by a similar factor 90%, being well within the expected experimental reach.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 힉스 신호 강도 증가, 특히 이중 광자 붕괴 채널에서의 초과 현상을 설명하는 데 있어 우주적 초과 차원(UED) 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 최신 LHC 힉스 탐색 데이터, 즉 ATLAS와 CMS의 $H \to \gamma\gamma$, $H \to WW$, $H \to gg$ 결과를 바탕으로 칼루차-클라인(KK) 스케일에 대한 제약 조건을 도출하는 것.
• 국제 선형 충돌기(ILC)에서 UED에 의해 유도된 힉스 결합의 수정 가능성을 평가하는 것, 특히 $\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$ 및 $\sigma_{\gamma\gamma \to H}$의 정밀 측정을 통해.

제안 방법

• 유능한 양자장 이론과 참고문헌 [3,4]에서 유도된 루프 적분을 사용하여, 칼루차-클라인(KK) 톰 쿼크와 게이지 보손의 루프 보정을 힉스 결합 $Hgg$와 $H\gamma\gamma$에 적용하는 것.
• K-요소와 QCD 보정을 사용하여 글루온 융합을 통한 수정된 힉스 생성 단면적 $\sigma_{gg \to H}^{\text{UED}}$를 계산하며, 주요 루프 함수로 $J_t^{\text{SM}}$과 $J_t^{\text{KK}}$를 사용하는 것.
• SM과 KK 루프 기여를 포함하여 이중 광자 붕괴 너비 $\Gamma_{H \to \gamma\gamma}^{\text{UED}}$를 평가하며, 톰 쿼크 기여에는 $4/3$ 요소를 적용하는 것.
• ATLAS와 CMS의 $H \to \gamma\gamma$, $H \to WW$, $H \to gg$에 대한 95% 신뢰수준의 제약 조건을 적용하여 KK 스케일을 제약하는 것. 특히 $WW$ 채널이 가장 날카로운 하한 제약을 제공한다.
• ILC와 광자-광자 충돌기의 감도를 예측하기 위해, SM 예측 대비 $\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$와 $\sigma_{\gamma\gamma \to H}$의 감소 요소를 비교하는 것.
• 기준 힉스 질량 $M_H = 125\,\text{GeV}$를 사용하고, mUED, T2Z4 등 UED 모델 전반에서 $M_{\text{KK}}$에 따른 단면적과 브랜치 비율의 의존성을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UED 모델은 LHC에서 관측된 힉스 생성 단면적과 이중 광자 붕괴 비율에서 1.5–2배의 증가를 설명할 수 있는가?
• RQ2 특히 $H \to \gamma\gamma$와 $H \to WW$ 채널에서, LHC 힉스 데이터로부터 UED 모델의 KK 스케일에 대한 현재의 실험적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 UED 모델에서는 표준모형(SM)에 비해 이중 광자 브랜치 비율과 $H\gamma\gamma$ 결합이 얼마나 감소하는가? 이 감소는 향후 충돌기에서 측정 가능한가?
• RQ4 기존 또는 향후 계획된 빛의 밀도를 갖춘 ILC 또는 광자-광자 충돌기가 UED에 의해 유도된 $\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$와 $\sigma_{\gamma\gamma \to H}$의 감소를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 KK 루프 보정은 UED 모델에서 $Hgg$와 $H\gamma\gamma$ 결합 간의 상호작용에 어떤 영향을 미치며, 관측 가능한 신호에서 어떤 과정이 지배적인가?

주요 결과

• UED 모델에서는 KK-톰 루프 기여로 인해 글루온 융합을 통한 힉스 생성 단면적이 최대 1.5배 증가하며, 이는 관측된 LHC 초과 현상과 일치한다.
• 허용 가능한 매개변수 영역 내에서 UED 모델에서는 총 붕괴 너머가 증가함에 따라 이중 광자 브랜치 비율 $\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$가 최대 80% 감소한다.
• ILC에서 $\sqrt{s} = 500\,\text{GeV}$ 조건에서 $500\,\text{fb}^{-1}$ 빛의 밀도로 $\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$의 감소 요소 0.8은, $M_H = 120\,\text{GeV}$에서 예상되는 23% 정밀도를 고려할 때 약간의 감지 가능성(마진 있는 감지 가능성)이 있다.
• 광자-광자 충돌기에서의 힉스 생성 단면적 $\sigma_{\gamma\gamma \to H}$는 UED 모델에서 0.9배로 감소하며, 이는 $210\,\text{GeV}$ $e^+e^-$ 충돌기에서 $410\,\text{fb}^{-1}$ 빛의 밀도로도 충분히 측정 가능한 영역에 속한다.
• KK 스케일에 대한 하한은 UED 모델에 따라 $M_{\text{KK}} \gtrsim 500\,\text{GeV}$에서 $1\,\text{TeV}$까지 다양하며, 주로 CMS의 $H \to WW \to l\nu l\nu$ 채널에서 유래한다.
• Hgg 생성의 증가가 Hγγ 붕괴의 감소를 초월하여, 허용 영역 내에서 이중 광자 신호 강도는 최대 50% 증가하며, 이는 LHC 데이터와 일치한다.