[논문 리뷰] Probing Higgs-muon interactions at a multi-TeV muon collider

Eugenia Celada, Tao Han외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 90인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 효과적 장 이론 프레임워크(SMEFT 및 HEFT)를 사용하여 멀티-TeV 뮤온 충돌기에서 힉스-뮤온 상호작용에 대한 민감도를 조사한다. 다섯 개의 입자까지 포함된 다중 보손 최종 상태의 직접 생성에 초점을 맞추며, 10 TeV 뮤온 충돌기가 고광도 LHC보다 뮤온 및 다중-히iggs 상호작용에 대해 훨씬 뛰어난 민감도를 보임을 입증한다. 특히 순수하게 다중-히iggs 생성 과정은 뮤온 요크하우프 섹터에서의 블랙-스탠드얼론(BCS) 물리에 대해 고유하게 민감하다.

ABSTRACT

We study the capabilities of a muon collider, at 3 and 10 TeV center-of-mass energy, of probing the interactions of the Higgs boson with the muon. We consider all the possible processes involving the direct production of EW bosons ($W,Z$ and $H$) with up to five particles in the final state. We study these processes both in the HEFT and SMEFT frameworks, assuming that the dominant BSM effects originate from the muon Yukawa sector. Our study shows that a Muon Collider has sensitivity beyond the LHC, as it not only relies on the Higgs-decay branching fraction to muons. A 10 TeV muon collider provides a unique sensitivity on muon and (multi-) Higgs interactions, significantly better than the 3 TeV option. We find searches based purely on multi-Higgs production to be particularly effective in probing these couplings.

연구 동기 및 목표

• 고광도 LHC의 한계를 넘어서 뮤온 충돌기를 사용해 힉스-뮤온 상호작용을 탐색할 잠재력을 평가하기 위해.
• 효과적 장 이론 프레임워크를 사용해 뮤온 요크하우프 섹터에서의 새로운 물리에 대한 민감도를 연구하기 위해.
• 다중 보손 최종 상태의 직접 생성을 통해 비표준 힉스 및 다중-히iggs 상호작용의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 효과적 장 이론 파rameter를 제약하는 데 있어 3 TeV 및 10 TeV 뮤온 충돌기 옵션의 성능을 비교하기 위해.
• 특히 다수의 힉스 보손을 포함하는 경우, 뮤온-힉스 상호작용을 탐색하는 데 가장 민감한 최종 상태를 특정하기 위해.

제안 방법

• 뮤온 요크하우프 섹터에서 기인하는 BSM 효과를 기술하기 위해 SMEFT 및 HEFT를 모두 사용하는 이론적 프레임워크를 수립한다.
• 유효성의 유효 범위를 6입자 최종 상태까지 제약하기 위해 단위성 조건 및 고에너지 진폭 계산을 적용한다.
• 3 TeV 및 10 TeV 중심질량 에너지에서 다중 보손 과정(H, W, Z, 힉스 및 게이지 보손 최종 상태 포함)에 대한 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 프로파일-가능도 비율 검정을 통한 통계적 해석을 통해 EFT 파rameter에 대한 95% 신뢰수준의 한계를 유도한다.
• SMEFT-HEFT 매칭 관계로부터 유도된 접촉 상호작용 항을 사용해 고에너지 단면적 근사치를 유도한다.
• 다양한 최종 상태, 특히 최대 5체 과정까지 포함하여 단면적의 EFT 파arameter αi 및 βk에 대한 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 TeV 뮤온 충돌기는 표준모형 예측 대비 힉스-뮤온 요크하우프 상호작용의 편차에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ2 다양한 보손 최종 상태 중에서 뮤온 요크하우프 섹터에서의 BSM 물리에 대해 가장 강력한 민감도를 제공하는 것은 무엇인가?
• RQ3 10 TeV 뮤온 충돌기와 3 TeV 뮤온 충돌기 사이에서 힉스 및 다중-히iggs 상호작용을 탐색하는 데 있어 상대적인 성능은 어떠한가?
• RQ4 SMEFT 및 HEFT 프레임워크는 다중-히iggs 및 다중 게이지 보손 과정의 단면적을 예측하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다중-히iggs 생성 과정만으로 힉스-뮤온 상호작용 섹터를 얼마나 잘 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 10 TeV 뮤온 충돌기는 뮤온 및 다중-히iggs 상호작용에 대해 3 TeV 옵션보다 훨씬 뛰어난 민감도를 보이며, 특히 힉스-뮤온 요크하우프 상호작용 탐색에 있어 유의미하다.
• 다중-히iggs 생성 과정(예: µ⁺µ⁻ → nH, n ≥ 2)은 뮤온 요크하우프 섹터에서의 BSM 물리에 대해 매우 효과적으로 제약하는 것으로 밝혀졌다.
• 연구 결과에 따르면, 뮤온 충돌기가 힉스 붕괴 분포율을 뮤온으로 사용하지 않기 때문에 고광도 LHC보다 민감도가 뛰어나다는 것이 확인되었다.
• EFT 파arameter(α₁, α₂) 및 (α₂, α₃)에 대한 제약은 10 TeV에서 3 TeV보다 훨씬 더 강력하며, 특히 10 TeV에서는 10 TeV를 초월하는 새로운 물리 스케일에 대한 민감도를 확보한다.
• 이론적 단위성 조건 및 고에너지 진폭 계산은 고에너지에서 접촉 상호작용이 지배적임을 확인하여 효과적 장 이론 근사의 타당성을 뒷받침한다.
• 다수의 힉스 보손을 포함하는 최종 상태(예: HHHH, HHHHϕ⁰)는 조합 (1 − α₁ + α₂ − α₃ + α₄ − α₅)에 강하게 의존함을 보여, 이는 EFT에서 고차원 연산자에 대한 민감도를 나타낸다.