[논문 리뷰] LHC Evidence Of A 126 GeV Higgs Boson From $H o γγ$ With Three And Four Generations

Gang Guo, Bo Ren외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손 신호가 표준모형 3세대(SM3)인지 또는 4세대 확장(SM4)인지 여쭤본다. SM4에서는 무거운 4세대 페르미온으로 인한 상쇄 작용으로 H→γγ 붕괴 너비가 억제되지만, 그에 비해 글루온 융합 생성률이 약 9배 증가하여 SM4의 γγ 신호 강도는 SM3와 유사해진다. 주요 결과는 현재 LHC 통계로는 H→γγ만으로 SM3와 SM4를 구분할 수 없으며, 더 많은 데이터와 H→ZZ*→4l와 같은 추가 붕괴 채널이 필수적이라는 것이다.

ABSTRACT

Searches for Higgs boson at the LHC have excluded standard model (SM) Higgs boson mass in the range between 127 GeV to 600 GeV. With a fourth generation, the excluded range is wider. To close the windows between 114 GeV to 127 GeV, the mode $H o γγ$ plays an important role. There are evidences that the Higgs boson mass is about 126 GeV from LHC data. $H o γγ$ can occur at one loop level in the SM. In the SM with three generations (SM3), the dominant contribution is from W boson with some cancellation from top quark in the loop. With SM4, the large mass of the fourth generation quarks and charged lepton cancel the W boson contribution significantly, the decay width is suppressed by a factorin the range of 0.25 $\sim$ 0.55 for the fourth generation mass in the range of 500 to 1000 GeV. This reduction factor makes $σ(pp o H X)Br(H o γγ)$ for SM4 comparable to that for SM3 for Higgs boson mass in the window allowed mentioned earlier. Using $H o γγ$ alone, therefore, it is difficult at present to distinguish whether the Higgs boson is from SM3 or SM4. We also comments on some other detection channels.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손 신호가 표준모형 3세대(SM3)인지 또는 4세대 확장(SM4)인지 설명 가능한지 평가하기.
• t′, b′, l′와 같은 4세대 페르미온이 SM4에서 H→γγ 붕괴 너비와 생성 단면적에 미치는 영향을 SM3와 비교 평가하기.
• 현재 LHC 데이터 통계로 H→γγ 채널만으로 SM3와 SM4를 구분할 수 있는지 판단하기.
• H→ZZ*→4l와 같은 다른 붕괴 채널이 SM3와 SM4를 구별하는 데 어떤 잠재력을 지니는지 탐색하기.

제안 방법

• W 보손과 고리 내의 전하를 띤 페르미온 기여를 포함하여, 한계 효과 이론을 사용해 SM3 및 SM4에서의 부분 붕괴 너비 Γ(H→γγ)를 계산함.
• 스핀-1/2 및 스핀-1 입자를 각각 위한 함수 A1/2(τ)와 A1(τ)를 사용한 1-루프 진폭 형식을 적용하고, QCD 보정은 계수 CH(τQ)를 통해 포함함.
• 4세대 페르미온 질량이 500–1000 GeV 범위일 경우, W와 무거운 페르미온 기여 간 간섭으로 인한 Γ(H→γγ) 억제 요인은 0.25에서 0.55 사이로 나타남.
• SM4에서 글루온 융합 생성 단면적 σ(pp→H)을 계산하여, 더 큰 톰-쿼크 고리 기여로 인해 SM3 대비 약 9배 증가함을 보임.
• 생성 및 분해비율 효과를 조합하여, 힉스 및 4세대 페르미온 질량에 따라 γγ 신호 강도 비율 σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)를 계산함.
• H→ZZ*→4l 채널을 분석하여, 붕괴비에 변화가 없음에도 불구하고 생산 증가로 인해 SM4에서 SM3 대비 5배 증가한 신호 강도를 보임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 관측된 126 GeV 힉스 보손 신호는 표준모형 3세대(SM3) 또는 4세대 확장(SM4)으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 4세대 페르미온의 포함이 루프 유도 힉스 붕괴에서 H→γγ 붕괴 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SM4에서 증가한 글루온 융합 생성률이 억제된 H→γγ 붕괴 너비를 얼마나 보완하여 SM3와 SM4의 γγ 신호 강도가 유사해지는가?
• RQ4 현재 LHC 데이터 통계로 H→γγ 채널만으로 SM3와 SM4를 구분할 수 있는가?
• RQ5 SM4에서 H→ZZ*→4l의 상대적 신호 강도는 SM3에 비해 어떻게 되며, 이 채널이 SM3와 SM4의 구별에 어떤 개선을 줄 수 있는가?

주요 결과

• 4세대 페르미온 질량이 500–1000 GeV일 경우, W와 무거운 페르미온 고리 간의 간섭으로 인해 SM4에서의 부분 붕괴 너비 Γ(H→γγ)는 SM3 대비 0.25에서 0.55 사이로 억제됨.
• SM4에서 글루온 융합 생성 단면적 σ(pp→H)은 더 큰 톰-쿼크 고리 기여로 인해 SM3 대비 약 9배 증가함.
• 126 GeV 근처의 힉스 질량에서 γγ 신호 강도 비율 σ(γγ,SM4)/σ(γγ,SM3)는 1.5에서 2.5 사이로 나타나, 양 모델 모두에서 유사한 검출 가능성 존재함.
• SM4에서 총 붕괴 너머 Γ(total)는 H→gg 및 H→bb̄ 붕괴 증가로 인해 SM3 대비 약 1.5에서 1.6배 더 큼으로써, H→γγ의 분해비율이 감소함.
• SM4에서 H→ZZ*→4l의 신호 강도는 동일한 생산 증가로 인해 SM3 대비 약 5배 증가하여, H→γγ보다 SM4에 더 민감한 채널이 됨.
• 현재 LHC 데이터 통계로는 H→γγ 채널만으로 SM3와 SM4를 확실히 구분할 수 없으며, 확실한 식별을 위해 더 많은 데이터가 필요함.