[논문 리뷰] Search for Next Generations of Quarks and Leptons at the Tevatron and LHC

I. F. Ginzburg, Igor Ivanov외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 02. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 테바트론과 LHC에서의 힉스 보손 생성을 통해 추가 쿼크 및 렙톤 세대의 존재가 어떻게 탐지될 수 있는지 조사한다. 특히 글루온 융합 및 $WW^*$ 및 $ au\bar{\tau}$ 붕괴 채널을 중심으로 분석한다. 연구 결과, 이러한 새로운 세대가 존재할 경우 힉스 보손 생성 단면적은 6–9배 증가하며, 이는 두 충돌기에서 정밀 측정을 통해 표준모형 내 세대 수를 결정할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

If next generations of heavy quarks and leptons exist within the standard model (SM), they can manifest themselves in Higgs boson production at the Tevatron and the LHC, before being actually observed. This generation leads to an increase of the Higgs boson production cross section via gluon fusion at hadron colliders by a factor 6-9. So, the study of this process at the Tevatron and LHC can finally fix the number of generations in the SM. Using the $WW^*$ Higgs boson decay channel, the studies at the upgraded Tevatron will answer the question about the next generation for mass values 135 GeV $\lsim M_H\lsim 190$ GeV. Studying the $ au\bar{ au}$ channel we show its large potential for the study of the Higgs boson at the LHC even in the standard case of three generations. At the Tevatron, studies in this channel could explore the mass range 110-140 GeV.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 내에서 추가 쿼크 및 렙톤 세대의 존재 여부를 힉스 보손 생성에 미치는 간접적 영향을 분석하여 규명하고자 한다.
• 업그레이드된 테바트론과 LHC가 새로운 세대를 탐지하는 데 있어 힉스 생성 단면적 증가율에 의해 어떤 민감도를 가지는지 평가하고자 한다.
• 두 충돌기에서 새로운 세대를 탐지하기 위해 $WW^*$ 및 $\tau\bar{\tau}$ 붕괴 채널의 발견 잠재력 평가하고자 한다.
• 히iggs 생성률의 편차를 분석하여 표준모형 내 세대 수를 제약하고자 한다.

제안 방법

• 강입자 충돌기에서의 글루온 융합를 통한 힉스 보손 생성을 분석하여, 추가적인 무거운 쿼크 및 렙톤의 존재에 민감한지 조사한다.
• 업그레이드된 테바트론에서 135 GeV에서 190 GeV 사이의 힉스 질량 범위에서 $WW^*$ 붕괴 채널을 이용해 힉스 보손 신호를 탐지한다.
• LHC에서의 $\tau\bar{\tau}$ 붕괴 채널이 새로운 세대를 탐지할 잠재적 능력을 평가한다. 이는 세 세대 표준모형 시나리오에서도 적용된다.
• 테바트론에서 힉스 질량이 110 GeV에서 140 GeV 사이일 때 $\tau\bar{\tau}$ 채널을 통해 새로운 세대 탐지 가능성에 대해 예측한다.
• 추가 세대의 영향으로 인한 힉스 생성 단면적 증가율을 정량화하며, 글루온 융합 비율이 6–9배 증가할 것으로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론과 LHC에서의 힉스 보손 생성을 통해 추가 쿼크 및 렙톤 세대의 존재가 어느 정도 탐지될 수 있는가?
• RQ2 새로운 세대가 포함될 경우, 강입자 충돌기에서 글루온 융합를 통한 힉스 보손 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 업그레이드된 테바트론에서 $WW^*$ 붕괴 채널이 힉스 질량이 135–190 GeV 범위일 때 새로운 세대를 탐지하는 데 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ4 LHC에서의 $\tau\bar{\tau}$ 붕괴 채널은 세 세대 표준모형 가정하에 새로운 세대 탐지에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 테바트론에서 $\tau\bar{\tau}$ 채널이 힉스 질량이 110–140 GeV 범위일 때 새로운 세대를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 추가적인 쿼크 및 렙톤 세대가 존재할 경우, 강입자 충돌기에서 글루온 융합를 통한 힉스 보손 생성 단면적이 6–9배 증가한다.
• 업그레이드된 테바트론에서 $WW^*$ 붕괴 채널은 힉스 보손 질량이 135 GeV ≤ $M_H$ ≤ 190 GeV 범위일 때 새로운 세대의 존재를 탐지할 수 있다.
• LHC에서의 $\tau\bar{\tau}$ 붕괴 채널은 세 세대 표준모형 시나리오에서도 힉스 보손을 연구하는 데 상당한 잠재력을 지닌다.
• 테바트론에서의 $\tau\bar{\tau}$ 붕괴 채널은 힉스 질량이 110 GeV에서 140 GeV 사이일 때 새로운 세대의 존재를 탐색할 수 있다.
• 이 연구들은 힉스 생성 및 붕괴의 정밀 측정을 통해 표준모형 내 세대 수를 규명할 수 있는 길을 제공한다.