[논문 리뷰] Higgs-Boson Interactions within the Randall-Sundrum Model

Daniele Dominici, Bohdan Grza̧dkowski외 2명|ArXiv.org|2002. 06. 20.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가시 브레인에서의 곡률-스칼라 결합 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 로 인해 유도되는 힉스 및 라디온 장 간의 혼합을 중심으로 랜덤드-선드럼 모형에서 힉스 보손 상호작용을 조사한다. 벡터 및 페르미온 결합에 대한 합칙을 유도하고, LEP 제약 조건으로 인해 힉스와 라디온이 동시에 가벼운 상태일 수 없음을 보이며, $h \to \phi\phi$ 붕괴가 라디온-힉스 혼합의 핵심 서명으로서 브랜치 비율이 최대 30–40%에 이르며, 이는 LHC에서 힉스 보손 탐색 전략을 크게 변화시킨다.

ABSTRACT

The scalar sector of the Randall-Sundrum model is discussed. The effective potential for the Standard Model Higgs-boson (h) interacting with Kaluza-Klein excitations of the graviton and the radion (phi) has been derived and it has been shown that only the Standard Model-like vacuum is allowed. The theoretical and experimental consequences of the curvature-scalar mixing xi RHH introduced on the visible brane are considered and simple sum rules that relate the couplings of the mass eigenstates (h) and (phi) to pairs of vector bosons and fermions are derived. The sum rule for the ZZh and ZZ phi couplings in combination with LEP/LEP2 data implies that not both the h and phi can be light. We present explicit results for the still allowed region in the (mh,mphi) plane that remains after imposing the LEP upper limits for non-standard scalar couplings to a ZZ pair. The phenomenological consequences of the mixing are investigated and, in particular, it is shown that the Higgs-boson decay h -> phi phi would provide an experimental signature for non-zero xi and can have a very substantial impact on the Higgs-boson searches, having BR(h->phi phi) as large as 30 - 40 %.

연구 동기 및 목표

• 랜덤드-선드럼 모형의 스칼라 섹터를 분석하고, 특히 힉스 보손과 라디온 장 간의 상호작용을 다루는 것.
• 가시 브레인에서의 곡률-스칼라 결합 $\\xi R \\widehat{H}^\\dagger\\widehat{H}$ 의 현상물리적 결과를 조사하는 것.
• 힉스 및 라디온이 벡터 보손과 페르미온에 결합하는 데 관련된 합칙을 도출하는 것.
• ZZ-결합 스칼라에 대한 LEP/LEP2 제약 조건을 적용한 후 $m_h$ 및 $m_\phi$ 의 허용 가능한 매개변수 영역을 결정하는 것.
• LHC에서 힉스 보손 탐지에 미치는 $h \to \phi\phi$ 붕괴의 영향을 평가하는 것, 특히 비표준 붕괴 채널에서의 영향을 중심으로.

제안 방법

• 칼루자-클라인 중력장 모드와 라디온 장과 상호작용하는 힉스 장의 효과적 포텐셜 유도.
• 라디온에 대한 안정화 질량 항 도입 및 $\partial V/\partial h = 0$ 조건을 만족하는 유일한 해가 표준모형 진공 해임을 증명.
• 가시 브레인에서 곡률-스칼라 결합 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 를 포함하여 힉스와 라디온 장 간 혼합을 유도.
• ZZh 및 ZZφ 결합에 대한 합칙 유도. 비영인 $\xi$ 가 존재할 경우 $\phi^2 h$ 및 $h^n h\phi$ 상호작용이 유도됨을 보임.
• LEP/LEP2 데이터를 활용하여 ZZ 쌍에 결합하는 스칼라에 대한 $(m_h, m_\phi)$ 평면 상의 허용 영역 제약.
• Monte Carlo 평가를 포함한 $h \to \phi\phi$ 붕괴 브랜치 비율에 대한 현상물리적 분석. $h \to \phi\phi \to b\bar{b}b\bar{b}$ 와 $h \to \phi\phi \to b\bar{b}gg$ 의 배경 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 곡률-스칼라 결합 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 는 랜덤드-선드럼 모형에서 힉스-라디온 혼합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ZZh 및 ZZφ 결합에 대한 합칙은 경량의 힉스 및 라디온 상태가 동시에 존재할 수 있는지를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 ZZ 쌍에 대한 스칼라 결합에 대한 LEP/LEP2 제약 조건을 적용한 후 $m_h$ 와 $m_\phi$ 의 허용 가능한 매개변수 영역은 어떻게 되는가?
• RQ4 $h \to \phi\phi$ 붕괴 모드는 발견 채널로서 얼마나 중요하며, 가능한 브랜치 비율은 얼마인가?
• RQ5 $h \to \phi\phi$ 의 실험적 서명과 LHC에서의 탐지 과제는 무엇이며, 특히 다중 렙톤 및 다중 쿼크 최종 상태에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 안정화된 라디온 질량 항과 효과적 포텐셜을 포함한 후에는 $\partial V/\partial h = 0$ 조건을 만족하는 표준모형 진공 해만 허용된다.
• ZZh 및 ZZφ 결합에 대한 합칙은 힉스와 라디온이 동시에 경량일 수 없음을 시사하며, $m_h \sim m_\phi \lesssim 100\,\text{GeV}$ 인 영역는 배제된다.
• 모든 $m_h = 120\,\text{GeV}$ 인 경우, $|\xi|$ 가 크고 $\Lambda_\phi = 5\,\text{TeV}$ 일 때 $m_\phi$ 가 $m_h/2$ 근처일 경우 $BR(h \to \phi\phi)$ 는 최대 30–40%에 이르게 된다.
• $\Lambda_\phi = 1\,\text{TeV}$ 이고 $m_h = 120\,\text{GeV}$ 일 때, $|\xi|$ 가 최대일 경우 대부분의 이론적으로 허용되는 $m_\phi$ 값에서 $BR(h \to \phi\phi)$ 는 50%에 이르게 된다.
• $h \to \phi\phi$ 붕괴 모드는 표준 힉스 붕괴 채널의 브랜치 비율을 상당히 감소시킬 수 있으며, 특히 $h \to \gamma\gamma$ 와 $h \to \tau^+\tau^-$ 의 경우 $m_\phi$ 와 $\xi$ 에 따라 달라진다.
• $h \to \phi\phi$ 붕괴는 비영인 $\xi$ 를 직접적으로 실험적으로 확인할 수 있는 핵심 서명이므로, LHC에서 $b\bar{b}b\bar{b}$ 와 $b\bar{b}gg$ 최종 상태에서의 전용 탐색이 필수적이다.