[논문 리뷰] Higgs boson suppression in quark-gluon matter

D. d’Enterria, C. Loizides|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 18.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 및 FCC 에너지에서 중앙부 PbPb 충돌에서 50 GeV 이하의 횡방향 운동량을 가진 경우에 특히, 실제 유체역학 모델링과 고정밀 단면적 계산을 사용하여 조밀한 쿼크-글루온 물질에서 힉스 보존의 억제를 조사한다. 매체 내의 최종 상태 상호작용은 글루온 및 쿼크-항항입자 채널을 통해 절입으로 인한 힉스 붕괴를 강화시켜 검출 가능한 힉스 수확량을 10–20% 감소시킨다.

ABSTRACT

The final-state interactions of the Higgs boson in a dense quark-gluon medium are studied. Typical Higgs--parton scattering cross sections are found to be $\sigma_{Hqg}\approx$ 1--100 $\mu$b in the kinematical range of relevance at current and future hadron colliders. In-medium scatterings effectively lead to an enhancement of the Higgs decays into a pair of jets, mostly via $g\,H o\,g\,g,Q\,\bar{Q}$, and thereby to a depletion of its visible yields in the $H o\gamma\gamma,Z\,Z^*(4\ell)$ discovery channels compared to the accurate theoretical predictions for its production and decay in the absence of final-state interactions. By embedding Higgs bosons, with transverse momentum distributions computed at NNLO+NNLL accuracy, in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we present realistic estimates of their suppressed yields as functions of transverse momentum $p_T^{H}$, and medium space-time size in pp, pPb, and PbPb collisions at LHC and FCC energies. A 10--20\% depletion of yields is expected in central PbPb collisions, mostly for $p_T^{H}\lesssim 50$ GeV.

연구 동기 및 목표

• 최종 상태 상호작용이 조밀한 쿼크-글루온 물질에서 힉스 보존 탐지에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 실제 유체역학 진화 모델을 사용하여 고에너지 충돌에서 힉스 보존 수확량 억제를 모델링하는 것.
• 매질 유도 붕괴 채널 강화가 $\gamma\gamma$, $ZZ^*$ 및 $4\ell$ 채널에서 관측 가능한 힉스 신호에 미치는 영향을 평가하는 것.
• LHC 및 FCC 에너지에서 pp, pPb 및 PbPb 충돌 전반에 걸쳐 운동량에 따라 정밀하게 분해한 힉스 수확량 억제 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 고에너지 충돌에서 팽창하는 쿼크-글루온 매질을 모델링하기 위해 2D+1 점성 유체역학을 사용한다.
• 초기 상태 운동량 분포의 정밀도를 확보하기 위해 Higgs 보존 횡방향 운동량 분포에 대해 NNLO+NNLL 계산을 사용한다.
• 매질 상호작용에 관련된 Higgs-파트온 산란 단면적($\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$b)을 계산한다.
• 매질 내에서 $gg$, $q\bar{q}$ 및 기타 절입 최종 상태로의 Higgs 붕괴를 모델링하여 증가된 분해비율을 시뮬레이션한다.
• 매질에 Higgs 보존을 통합하고 $p_T^H$ 및 매질 크기 함수로 수확량 억제를 추적한다.
• 결과의 강건성을 평가하기 위해 여러 QCD 상태방정식을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조밀한 쿼크-글루온 매질 내 최종 상태 상호작용이 $\gamma\gamma$, $ZZ^*$ 및 $4\ell$ 붕괴 채널에서 힉스 보존 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 LHC 및 FCC 에너지에서 중앙부 PbPb 충돌에서 힉스 보존 수확량 억제의 크기는 얼마인가?
• RQ3 억제 정도는 힉스 보존의 횡방향 운동량($p_T^H$)과 매질 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 매질에 의해 유도된 절입 붕괴 강화가 수확량 감소에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 다양한 QCD 상태방정식은 예측된 억제율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 쿼크-글루온 매질 내 최종 상태 상호작용은 $gH \to gg$ 및 $q\bar{q}$ 과정을 통해 절입으로 인한 힉스 붕괴를 강화시킨다.
• 강화된 붕괴 분해비율은 $\gamma\gamma$, $ZZ^*$ 및 $4\ell$ 채널에서 관측 가능한 힉스 신호의 측정 가능한 감소를 초래한다.
• 중앙부 PbPb 충돌에서 힉스 보존 수확량은 약 10–20% 감소할 것으로 예상되며, 주로 $p_T^H \lesssim 50$ GeV 영역에서 발생한다.
• 억제 효과는 낮은 횡방향 운동량에서 가장 두드러지며, 매질 크기와 밀도가 증가할수록 강화된다.
• 결과는 다양한 QCD 상태방정식에 대해 강건하며, 실제 유체역학 진화 모델과 일관된다.
• 매질 내에서 Higgs-파트온 산란 단면적은 $\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$b로 추정되어 강한 매질 내 상호작용을 시사한다.