[논문 리뷰] Resonant CP Violation in Higgsstrahlung at an e^+e^- Linear Collider

John Ellis, Jae Sik Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 MSSM 내에서 e⁺e⁻ 선형 충돌기에서의 힉스 방사선 과정에서 공진형 CP 위반을 조사하며, 반동 질량 재구성과 타우 레프톤의 스핀 비대칭을 이용해 CP 위반 위상에 대해 탐색한다. 100 fb⁻¹의 루미노사티가 있을 경우, 거의 동일한 질량을 가지며 강하게 혼합된 중성 힉스 보손 상태를 가진 삼중 혼합 시나리오에서 최대 80%의 CP 비대칭이 관측 가능하며, 전기 dipole moment 제약 조건 하에서 가능하다.

ABSTRACT

We study resonant CP violation in the Higgsstrahlung process e^+e^- -> H_{1,2,3} (Z -> e^+e^-, \\mu^+\\mu^-) and subsequent decays H_{1,2,3} -> b \\bar{b}, \ au^-\ au^+, in the MSSM with Higgs-sector CP violation induced by radiative corrections. At a high-energy e^+e^- linear collider, the recoil-mass method enables one to determine the invariant mass of a fermion pair produced by Higgs decays with a precision as good as 1 GeV. Assuming an integrated luminosity of 100/fb, we show that the production lineshape of a coupled system of neutral Higgs bosons decaying into b\\bar{b} quarks is sensitive to the CP-violating parameters. When the Higgs bosons decay into \ au^-\ au^+, two CP asymmetries can be defined using the longitudinal and transverse polarizations of the tau leptons. Taking into account the constraints from electric dipole moments, we find that these CP asymmetries can be as large as 80 %, in a tri-mixing scenario where all three neutral Higgs states of the MSSM are nearly degenerate and mix significantly.

연구 동기 및 목표

• MSSM 힉스 보존 내의 CP 위반 매개변수에 대한 힉스 방사선 과정의 민감도를 조사하는 것.
• 특히 거의 동일한 질량을 가진 중성 힉스 보손을 가진 시나리오에서 복사 보정이 힉스 보존 내에서 어떻게 CP 위반을 유도하는지 탐색하는 것.
• e⁺e⁻ 선형 충돌기가 힉스 붕괴 선형도와 타우 레프톤의 스핀 비대칭 정밀 측정을 통해 CP 위반을 탐지할 잠재력을 평가하는 것.
• 전기 dipole moment 제약 조건이 힉스 보존 내에서 관측 가능한 CP 비대칭에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 강한 혼합과 거의 동일한 질량을 가진 삼중 혼합 시나리오에서 달성 가능한 최대 CP 비대칭을 결정하는 것.

제안 방법

• 정밀도 약 1 GeV로, 힉스 붕괴에서 생성된 페르미온 쌍의 진동 질량을 재구성하기 위해 반동 질량 방법을 사용한다.
• 히iggs 방사선 과정 e⁺e⁻ → H₁₂₃ (Z → ℓ⁺ℓ⁻)를 분석하고, H₁₂₃ → b̄b, τ⁺τ⁻로 붕괴하여 CP 위반 효과를 탐색한다.
• 히iggs 붕괴에서 최종 상태의 타우 레프톤의 종방향 및 횡방향 스핀 비대칭을 기반으로 두 가지 CP 비대칭을 정의한다.
• CP 위반에 대한 타당한 매개변수 공간을 제약하기 위해 전기 dipole moment 측정 결과를 적용한다.
• 모든 세 개의 중성 힉스 상태가 거의 동일한 질량을 가지며 강하게 혼합된 삼중 혼합 시나리오에서 힉스 선형도의 세부 시뮬레이션을 수행한다.
• 관측 가능한 양에 대한 CP 위반 위상에 대한 민감도를 추정하기 위해 통합 루미노사티 100 fb⁻¹를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반동 질량 방법은 MSSM 내에서 상호작용하는 중성 힉스 보손의 선형도를 1 GeV 이내의 정밀도로 해결할 수 있는가?
• RQ2 히iggs 붕괴에서 타우 레프톤의 스핀 비대칭을 통해 힉스 보존 내의 CP 위반 위상은 어느 정도까지 탐색될 수 있는가?
• RQ3 전기 dipole moment 제약 조건 하에서 삼중 혼합 MSSM 시나리오에서 관측 가능한 최대 CP 비대칭은 얼마인가?
• RQ4 히iggs 보손의 혼합과 거의 동일한 질량은 힉스 방사선 과정에서의 CP 위반 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 e⁺e⁻ 선형 충돌기는 오직 타우 레프톤의 스핀 비대칭 측정만으로 힉스 보존 내의 CP 위반 효과를 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 반동 질량 방법은 힉스 붕괴 생성물의 진동 질량 재구성을 약 1 GeV의 정밀도로 가능하게 하며, 겹치는 힉스 상태를 구분하는 데 핵심적이다.
• 거의 동일한 질량을 가지며 강하게 혼합된 중성 힉스 보손을 가진 삼중 혼합 시나리오에서는 CP 비대칭이 최대 80%에 이를 수 있다.
• CP 비대칭은 최종 상태의 타우 레프톤의 종방향 및 횡방향 스핀 비대칭을 기반으로 정의되며, 두 개의 독립적인 관측 가능성을 제공한다.
• 전기 dipole moment 제약 조건은 타당한 매개변수 공간을 상당 부분 제한하지만, 여전히 삼중 혼합 영역에서 큰 CP 비대칭을 허용한다.
• 100 fb⁻¹의 통합 루미노사티 하에서, 힉스 방사선 선형도는 힉스 보존 내의 CP 위반 매개변수에 민감하다.
• 본 연구는 e⁺e⁻ 선형 충돌기가 힉스 붕괴 선형도와 타우 레프톤 스핀 비대칭의 정밀 측정을 통해 MSSM 힉스 보존 내의 CP 위반을 탐지할 수 있음을 보여준다.