[논문 리뷰] Off-Shell Higgs Coupling Measurements in BSM scenarios

Christoph Englert, Yotam Soreq외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 새로운 물리학, 특히 차수 6 연산자, 공진 상태, 힉스 포털 모형과 같은 상황에서 떨어진 상태의 힉스 결합 측정을 통해 탐색하는 것을 연구한다. 이는 특정 모형 가정 하에서만 총 힉스 너비를 제약하는 데에 떨어진 상태의 힉스 신호 강도가 사용될 수 있으며, 간섭 효과와 운동량 상관관계가 특히 MSSM과 유효장이론 확장에서 해석에 결정적인 역할을 한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Proposals of measuring the off-shell Higgs contributions and first measurements at the LHC have electrified the Higgs phenomenology community for two reasons: Firstly, probing interactions at high invariant masses and momentum transfers is intrinsically sensitive to new physics beyond the Standard Model, irrespective of a resonant or non-resonant character of a particular BSM scenario. Secondly, under specific assumptions a class of models exists for which the off-shell coupling measurement together with a measurement of the on-shell signal strength can be re-interpreted in terms of a bound on the total Higgs boson width. In this paper, we provide a first step towards a classification of the models for which a total width measurement is viable and we discuss examples of BSM models for which the off-shell coupling measurement can be important in either constraining or even discovering new physics in the upcoming LHC runs. Specifically, we discuss the quantitative impact of the presence of dimension six operators on the (de)correlation of Higgs on- and off-shell regions keeping track of all interference effects. We furthermore investigate off-shell measurements in a wider context of new (non-)resonant physics in Higgs portal scenarios and the MSSM.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 상황에서 떨어진 상태의 힉스 측정을 총 힉스 보손 너비에 대한 제약로 해석할 수 있는지 평가하기.
• 차수 6 연산자가 온-쉘과 떨어진 상태의 힉스 영역 간 상관관계를 어떻게 수정하는지, 간섭 효과를 포함하여 분석하기.
• 히iggs 포털 모형과 MSSM에서 비공진 및 공진 신체물리학에 대한 떨어진 상태의 힉스 측정 감도 평가하기.
• 표준모형을 초월해 고유한 제약나 또는 발견을 제공할 수 있는 모형 유형 식별하기.
• 예를 들어 R(mZZ) ≈ 1과 같은 기준을 설정하여 떨어진 상태의 신호 강도가 힉스 너비와 의미 있게 연관될 수 있는 조건을 설정하기.

제안 방법

• 표준모형을 초월한 힉스 결합과 생성 진폭에 대한 수정을 모델링하기 위해 차수 6 연산자를 포함한 유효장이론(EFT)을 사용한다.
• 표준모형과 떨어진 상태의 신호 강도 간 일관성을 정량화하기 위해 이중비율 R(mZZ) = μ_off / μ_on 을 적용하여 힉스 너비 해석에 대한 진단 도구로 활용한다.
• gg → ZZ → 4ℓ 과정에서 고형량 질량 영역(mZZ > 330 GeV)에서 SM과 BSM 기여 간의 간섭 효과를 정량적으로 분석한다.
• 명시적 BSM 모형 고려: 새로운 무거운 스칼라 필드 φ를 가진 단순화된 힉스 포털 모형, MSSM, 일반 2HDM/nHDM 확장.
• 파트론 수준의 진폭과 브라이트-바이너 확산자(Propagators)를 사용하여 공진 기여와 SM 토프 루프도형 간의 간섭을 모델링한다.
• 다양한 혼합 각도와 공진 질량에서 mZZ에 따른 미분 단면적 분포를 비교함으로써 수치적으로 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 모형 가정 하에서 떨어진 상태의 힉스 결합 측정이 총 힉스 너비에 대한 제약로 해석될 수 있는가?
• RQ2 SM과 BSM 기여 간의 간섭 효과가 온-쉘과 떨어진 상태의 힉스 신호 강도 간 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 차수 6 연산자가 온-쉘과 떨어진 상태의 힉스 영역 간 (분리된)상관관계를 어느 정도 수정하는가?
• RQ4 MSSM 또는 힉스 포털 모형과 같은 BSM 시나리오에서 떨어진 상태 측정이 새로운 물리학에 대해 고유한 감도를 제공하는가?
• RQ5 떨어진 상태 데이터를 힉스 너비와 의미 있게 연관지킬 수 있는 데 필요한 운동량 및 모형 의존적 기준(예: R(mZZ) ≈ 1)은 무엇인가?

주요 결과

• 떨어진 상태의 힉스 신호 강도를 총 힉스 너비의 탐색 도구로 해석하는 것은 Eq. (15)와 같이 힉스가 표준모형 입자들과 균일하게 결합하는 특정 모형 가정 하에서만 유효하다.
• 떨어진 상태 데이터가 힉스 너비를 제약하는 데에 의미 있게 연관되기 위해서는 불확도 범위 내에서 R(mZZ) ≈ 1 이라는 조건이 필수적이다. 이는 Eq. (7)에서 보여진다.
• 차수 6 연산자에서 기인하는 간섭 효과는 온-쉘과 떨어진 상태 영역 간의 상관관계를 크게 변화시키며, 특히 공진 임계점 근처에서 두드러진다.
• 무거운 스칼라 필드 φ를 가진 힉스 포털 모형에서, mZZ 가 큰 영역(예: mφ = 350 GeV, cos²χ = 0.5)에서 떨어진 상태 신호는 증가할 수 있지만, 전자약정밀도 제약으로 인해 중간 혼합 각도에서만 가능하다.
• mZZ ≳ 400 GeV 에서는 선형 혼합과 점점 가까워지는 비례성으로 인해, 미분 단면적은 표준모형의 극한에 수렴하며 고에너지 영역에서 표준모형 행동이 검증된다.
• 떨어진 상태 측정이 항상 힉스 너비에 민감한 것은 아니며, 신규의 테바르스케일 공진 또는 전자약자기 연산자와 같은 상황에서는 신호가 힉스와 관련 없는 새로운 물리학에서 기인할 수 있다.