[논문 리뷰] Probing CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$

Gang Li, Haoran Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 향후 $e^{+}e^{-}$ 충돌기에서 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$를 통해 CP 위반 $h\bar{t}t$ 결합을 탐지하는 방법을 제안하며, $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 및 $\xi = 3\pi/5$ 조건에서 표준모형(SM) 대비 최대 6배의 단면적 증가를 보인다. $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 조건에서 350 GeV에서 신호 유의도는 5$\sigma$를 초과하고, 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}$는 0.5에 도달하여 배경의 도전에도 불구하고 청소년적인 CP 위반 신호를 제공한다.

ABSTRACT

We investigate the possibility of probing the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling in the process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma$ at the future high luminosity $e^{+}e^{-}$ colliders. Our numerical results show that the cross section for this process can be significantly increased for the allowed CP phase $\xi$ and center of mass energy. For example the cross section is about 6 times of that in the standard model (SM) for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and $\xi =3\pi/5$ (see text for $\xi$ definition). The simulation for the signal process $e^{+}e^{-} ightarrow h \gamma ightarrow b \bar{b}\gamma$ and its backgrounds shows that the signal significance can reach more than $4.8\sigma$ and $2.3\sigma$ for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}, 500~\mathrm{GeV}$ respectively, with the integrated luminosity $\mathcal{L}=3~ ext{ab}^{-1}$ and $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. For $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$, the signal significance can be greater than 5 for $\sqrt{s}=350~\mathrm{GeV}$ and 3.9 for $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$ with the CP phase $\xi\in[\pi/2,3\pi/5]$. Besides the cross section enhancement, the CP-violating $h\bar{t}t$ coupling will induce the forward-backward asymmetry $A_{FB}$ which is absent in the SM and is a clear signal of new CP violation. Compared with the $A_{FB}$ in the Higgs decay $h ightarrow l^{+}l^{-}\gamma$, the $A_{FB}$ can be greatly enhanced in the production process. For example $A_{FB}$ can reach 0.5 for $\cos\xi\simeq 0.7$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. Due to the large backgrounds, the significance of the expected $A_{FB}$ can only be observed at $1.7\sigma$ with $\mathcal{L}=10~ ext{ab}^{-1}$ and $\sqrt{s}=500~\mathrm{GeV}$. It is essential to trigger the single photon in the final state to separate the bottom jets arising from scalar or vector bosons, in order to isolate the signal from the backgrounds more efficiently.

연구 동기 및 목표

• 향후 고광도 $e^{+}e^{-}$ 충돌기에서 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 과정에서 CP 위반 $h\bar{t}t$ 결합을 탐지할 수 있는 가능성에 대해 조사한다.
• 실제 빛의 밀도 및 에너지 조건 하에서 주요 배경과의 대비에서 $h \to b\bar{b}\gamma$ 최종 상태의 신호 유의도를 평가한다.
• 신규 CP 위반을 직접적으로 탐지할 수 있는 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}$의 역할을 평가한다. 이는 표준모형 힉스 붕괴와는 다릅니다.
• 신호-배경 분리 향상을 위한 최적의 운동학적 트리거, 특히 단일 광자 태깅의 효과를 규명한다.

제안 방법

• 중심 질량 에너지 $\sqrt{s}$ 및 CP 위상 $\xi$에 따른 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 단면적의 수치 계산.
• 신호 과정 $e^{+}e^{-} \to h\gamma \to b\bar{b}\gamma$ 및 주요 QED 및 QCD 배경의 몬테카를로 시뮬레이션.
• 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}$의 계산. 정의는 $A_{FB} = (\sigma_{\text{forward}} - \sigma_{\text{backward}})/(\sigma_{\text{forward}} + \sigma_{\text{backward}})$.
• Z\gamma, $W^+W^-$ 및 $q\bar{q}\gamma$ 과정에서 기인하는 배경 기여를 억제하기 위해 운동학적 컷과 단일 광자 트리거 적용.
• 통합 광도 $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 및 $10~\text{ab}^{-1}$ 조건에서 $S/\sqrt{B}$를 이용한 통계적 유의도 추정.
• 최대 CP 위반 효과가 나타나는 영역을 특정하기 위해 $\cos\xi$ 의존성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CP 위반 $h\bar{t}t$ 결합으로 인해 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 과정에서 단면적이 유의미하게 증가하는가?
• RQ2 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 및 $500~\text{GeV}$ 조건에서 $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 및 $10~\text{ab}^{-1}$ 조건에서 $h \to b\bar{b}\gamma$ 의 유의도는 어느 정도인가?
• RQ3 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}$는 이 과정에서 새로운 CP 위반을 청소년적으로 나타내는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 주요 QCD 및 전자약 배경과의 분리에 있어 단일 광자 트리거는 얼마나 효과적인가?
• RQ5 특히 $[\pi/2, 3\pi/5]$ 범위에서 CP 위상 $\xi$ 에 대한 신호 민감도는 어떠한가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 및 $\xi = 3\pi/5$ 조건에서 $e^{+}e^{-} \to h\gamma$ 의 단면적은 SM 대비 약 6배 증가한다.
• $\mathcal{L} = 3~\text{ab}^{-1}$ 조건에서 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 에서는 $\xi \in [\pi/2, 3\pi/5]$ 범위에서 유의도가 4.8$\sigma$를 초과하고, $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 에서는 2.3$\sigma$이다.
• $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 조건에서 $\sqrt{s} = 350~\text{GeV}$ 에서는 유의도가 5$\sigma$를 초과하고, 동일한 CP 위상 범위에서 $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 에서는 3.9$\sigma$에 도달한다.
• $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 및 $\cos\xi \simeq 0.7$ 조건에서 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}$는 최대 0.5에 도달하며, 이는 표준모형에서는 존재하지 않는 명확한 신호이다.
• 크게 증가한 배경에도 불구하고, $\sqrt{s} = 500~\text{GeV}$ 조건에서 $\mathcal{L} = 10~\text{ab}^{-1}$ 일 때 $A_{FB}$ 신호는 1.7$\sigma$의 유의도로 관측 가능하다.
• 최적의 배경 억제 및 신호 분리 향상을 위해 최종 상태의 단일 광자 트리거가 필수적이다.