[논문 리뷰] Higgs Particles in the Standard Model and Supersymmetric Theories

Margarete Mühlleitner|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 20

한 줄 요약

이 학위논문은 표준모형(SM)과 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 힉스 보손 성질에 대한 종합적인 이론적 분석을 제시하며, LHC와 e+e− 선형 콜라이더에서의 발견 및 정밀 측정에 초점을 맞춘다. γγ 및 WW 융합 과정에서의 힉스 생성, SM 내에서의 수명 측정, 이중 및 삼중 힉스 생성에 의한 삼중 힉스 자기상호작용을 평가하여, 500 GeV e+e− 콜라이더에서 SM의 삼중 힉스 상호작용은 20% 정확도로 측정 가능하며, 특정 실험 전략을 통해 특정 매개변수 영역에서 MSSM 상호작용도 접근 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

This thesis presents a theoretical analysis of the properties of the Higgs bosons in the Standard Model (SM) and the minimal supersymmetric extension (MSSM), which can be investigated at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. The final goal is the reconstruction of the Higgs potential and thus the verification of the Higgs mechanism. MSSM Higgs boson production processes at future $γγ$ colliders are calculated in several decay channels. Heavy scalar and pseudoscalar Higgs bosons can be discovered in the $b\bar{b}$ final state in the investigated mass range 200 to 800 GeV for moderate and large values of $ anβ$. The $τ^+τ^-$ channel provides a heavy Higgs boson discovery potential for large values of $ anβ$. Several mechanisms that can be exploited at $e^+e^-$ linear colliders for the measurement of the lifetime of a SM Higgs boson in the intermediate mass range are analysed. In the $WW$ mode, the lifetime of Higgs scalars with masses below $\sim 160$ GeV can be determined with an error less than 10%. The reconstruction of the Higgs potential requires the measurement of the Higgs self-couplings. The SM and MSSM trilinear Higgs self-couplings are accessible in double and triple Higgs production. A theoretical analysis is presented in the relevant channels at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. For high luminosities, the SM trilinear Higgs self-coupling can be measured with an accuracy of 20% at a 500 GeV $e^+e^-$ linear collider. The MSSM coupling among three light Higgs bosons has to be extracted from continuum production. The other trilinear Higgs couplings are measurable in a restricted range of the MSSM parameter space. At the LHC, the $Hhh$ coupling can be probed in resonant decays.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)과 MSSM에서 힉스 메커니즘을 검증하기 위해 힉스 포텐셜을 재구성한다.
• 미래의 γγ 및 e+e− 콜라이더에서 MSSM의 무거운 힉스 보손의 발견 잠재력을 평가한다.
• 중간 질량 범위의 SM 힉스 보손 수명에 대한 정밀 측정 기법을 개발한다.
• 이중 및 삼중 힉스 생성을 통한 SM과 MSSM에서의 삼중 힉스 자기상호작용 접근 가능성을 연구한다.
• LHC와 e+e− 콜라이더 데이터를 활용하여 힉스 자기상호작용에 대해 측정 가능한 MSSM 매개변수 영역을 규명한다.

제안 방법

• 다양한 붕괴 채널(b¯b, τ+τ−, SUSY 최종 상태)에서 MSSM 힉스 보손의 γγ 충돌에서의 생성 단면적을 계산한다.
• 장축 W 보손 융합 근사법을 적용하여 WW → HiHj 및 WW → AA 과정에서의 무거운 힉스 쌍 생성 단면적을 계산한다.
• 효과 라그랑지안과 고리 보정을 사용하여 MSSM에서의 삼중 힉스 상호작용에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 500 GeV에서의 e+e− 충돌에서 이중 및 삼중 힉스 생성의 이론적 분석을 수행하며, Hhh, HHH 및 힉스 스트라할링 과정을 포함한다.
• 히iggs 너비 및 분해비 형식을 사용하여 SM 및 MSSM 힉스 보손의 총 너비와 수명을 결정한다.
• 상태 공간 적분 및 루미노시티 스케일링을 적용하여 고루미노시티 콜라이더에서의 발견 잠재력과 측정 민감도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200–800 GeV 질량 범위에서 MSSM의 무거운 힉스 보손은 γγ 콜라이더에서 b¯b 및 τ+τ− 최종 상태에서 어떻게 발견될 수 있는가?
• RQ2 e+e− 선형 콜라이더에서 SM 힉스 보손 수명 측정에 대한 민감도는 무엇이며, 어떤 붕괴 모드가 이 측정을 가능하게 하는가?
• RQ3 500 GeV e+e− 선형 콜라이더에서 SM 삼중 힉스 자기상호작용은 20% 정확도로 측정될 수 있는가? 어떤 과정이 이를 가능하게 하는가?
• RQ4 MSSM 매개변수 공간의 어떤 영역에서 Hhh, HHH, HAA와 같은 삼중 힉스 자기상호작용이 힉스 쌍 생성을 통해 측정 가능한가?
• RQ5 특히 가벼운 힉스 보손의 삼중 상호작용에 대해 MSSM의 힉스 자기상호작용은 어떤 매개변수에 따라 달라지며, 주요 생성 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 중간 질량 범위(200–800 GeV)에서 중간 및 펄스어 힉스 보손은 tan β 값이 중간에서 큰 경우 b¯b 최종 상태에서 MSSM에서 발견 가능하다.
• 큰 tan β 조건에서 MSSM의 힉스 보손은 τ+τ− 붕괴 채널을 통해 발견 잠재력을 지닌다. 특히 H± 및 A0 보손에 대해 유리하다.
• e+e− 선형 콜라이더에서 WW 붕괴 모드를 사용하여 SM 힉스 보손 수명을 160 GeV 이하에서 10% 이내의 정밀도로 측정할 수 있다.
• 고루미노시티 조건에서 500 GeV e+e− 선형 콜라이더에서 SM 삼중 힉스 자기상호작용은 20% 정확도로 측정 가능하다.
• MSSM에서 세 개의 가벼운 힉스 보손(h0h0h0) 간의 삼중 상호작용은 그 분해비가 작기 때문에 연속 생성 과정을 통해 추출되어야 한다.
• MSSM에서의 공진 Hhh 상호작용은 LHC에서 힉스 보손 붕괴를 통해 탐색 가능하며, 특히 H → hh → bb̄bb̄ 채널에서 유리하다.