[논문 리뷰] On the impact of the Higgs boson on the production of exotic particles at the LHC

A. G. Hessler, Alejandro Ibarra외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 힉스 보존을 통해 생성되는 고전적 스칼라 및 페르미온의 생산을 조사하며, 힉스 보존과 결합하는 단일 새로운 스칼라 또는 페르미온을 포함한 단순화된 모델에 초점을 맞춘다. 연구 결과, 힉스를 통해 매개되는 글루온-글루온 융합이 질량 ≤120 GeV인 고전적 페르미온의 경우 Drell-Yan 생산보다 지배적이며, 100 TeV에서 무거운 페르미온과 스칼라의 경우 고광도 조건에서 주요 채널이 된다.

ABSTRACT

Many new physics models contain new particles that interact with the Higgs boson. These particles could be produced at the LHC via gluon-gluon fusion with an off-shell Higgs, as well as via the Drell-Yan process if charged under a gauge group. We consider in this paper simplified scenarios where the Standard Model is extended by one scalar or fermionic field that interacts with the Higgs boson and we evaluate the impact of the Higgs interaction on the production of the exotic particles at the LHC. This analysis applies in particular to TeV scale seesaw scenarios of neutrino mass generation.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 힉스 보존의 교환 영향을 고려하여 고전적 입자의 생성 단면적에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 새로운 물리 상태에 대해 표준 Drell-Yan 및 QCD 생성 메커니즘과 힉스를 통해 매개되는 글루온-글루온 융합을 비교하기 위해.
• 중성자 질량 생성을 위한 테브 수준의 세우워 모델에서 힉스 교환의 중요성을 평가하기 위해.
• 향후 100 TeV 프로톤-프로톤 충돌기에서 고전적 입자의 발견 가능성을 예측하기 위해.
• 다양한 질량 중심 에너지에서 힉스를 통해 매개되는 채널과 전자기적 상호작용 채널 간의 상대적 중요도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 글루온과의 힉스 결합을 모델링하기 위해 효과적 라그랑지안을 사용하며, 토프 쿼크 루프를 통한 효과적 결합은 $ G_H = \frac{\alpha_S}{2\pi} \left| F_H\left(\frac{4m_t^2}{P^2}\right) \right| $ 로 기술된다.
• 삼각형 형상 인자 $ F_H(\tau) $ 를 사용하여 비공진 상태 힉스 기여를 글루온-글루온 융합에 계산하며, $ \tau = \frac{4m_t^2}{P^2} $ 이다.
• LHC에서 $ \sqrt{s} = 8 $ 및 $ 14 $ TeV 조건에서 고전적 스칼라 및 페르미온의 힉스를 통해 매개되는 ggF 및 Drell-Yan 과정의 생성 단면적을 평가한다.
• 가상의 100 TeV 충돌기로 분석을 확장하며, 파arton 루미노사티의 스케일링을 사용하여 단면적 증가를 추정한다.
• 다양한 질량 범위와 결합 상수에서 힉스를 통해 매개되는 채널과 Drell-Yan 채널 간 기여도의 상대적 기여도를 비교한다.
• 최소 모델을 고려: 표준모형 게이지 양자수를 갖는 하나의 복소 스칼라 다중체 또는 하나의 카이랄 페르미온 (예: 타입 I 및 III 세우워).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 고전적 페르미온에 대해 힉스를 통해 매개되는 글루온-글루온 융합이 Drell-Yan 생산에 비해 얼마나 중요한가?
• RQ2 힌스를 통해 매개되는 생산이 전자기적 또는 QCD 유도 과정보다 지배적이 되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 향후 100 TeV 프로톤-프로톤 충돌기에서 고전적 스칼라 및 페르미온의 예상 생성률은 얼마인가?
• RQ4 파arton 루미노사티와 질량 중심 에너지가 힉스를 통해 매개되는 채널과 Drell-Yan 채널 간의 지배성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 중성자 질량 생성을 위한 테브 수준의 세우워 모델에서 힉스 교환은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 질량 ≤120 GeV인 고전적 페르미온의 경우, 최소 세우워 모델에서 힉스를 통해 매개되는 글루온-글루온 융합이 Drell-Yan 생산을 지배한다.
• $ \sqrt{s} = 14 $ TeV 조건에서, 4체 결합 상수가 $ \gtrsim \mathcal{O}(1) $ 인 경우 힉스를 통해 매개되는 고전적 스칼라 생성 기여가 크며, QCD 및 전자기적 수정과 유사한 크기이다.
• $ \sqrt{s} = 100 $ TeV 조건에서 글루온-글루온 융합 단면적은 14 TeV 대비 두 배수 정도 증가하여 스칼라 질량이 260 GeV 이하일 경우 지배적인 채널이 된다.
• 100 TeV 충돌기에서 $ L = 10 $ ab⁻¹ 조건에서, 질량이 100에서 700 GeV 사이인 단일 전하 스칼라 쌍은 최소 $ 10^7 $에서 $ 10^4 $ 쌍 이상 생성될 수 있다.
• $ \sqrt{s} = 100 $ TeV 조건에서 글루온-글루온 융합 메커니즘이 고전적 페르미온의 경우 $ M_k \gtrsim 300 $ GeV에서 완전히 지배적이 되며, Drell-Yan를 한 단계 이상 초월한다.
• 힌스 포털 상호작용은 특히 고에너지 충돌기에서 고전적 입자의 총 생성 단면적에 비할 만한 기여를 한다.