[논문 리뷰] Searching for a lighter Higgs: parametrisation and sample tests

Giacomo Cacciapaglia, Aldo Deandrea외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 이론에서 더 가벼운 힉스 유사 스칼라 입자에 대한 모형에 종속되지 않는 매개변수화를 제안하며, 동일한 질량을 가진 표준모형 힉스와의 비율에 따라 정규화된 결합 수정자($κ$)를 사용한다. 이 방법을 통해 126 GeV 힉스에 대한 LHC 제약 조건을 어떤 경량 스칼라에도 직접 번역할 수 있으며, 2HDM-II 및 NMSSM와 같은 모형을 구분하는 뚜렷한 $κ$ 매개변수 상관관계—예를 들어 $κ_{V,1} = 2κ_{b,1}$ 또는 $κ_{t,1} = κ_{V,1}/2$—를 드러낸다. 이는 고에너지 물리학에서의 UV 완성 정보 없이도 $γ\gamma$ 채널에서의 신호 강도 증가를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The structure of the Higgs sector is a major issue in the quest of a detailed description of the electroweak interactions. Most of the effort is devoted to the study of the standard model--like Higgs boson at 126 GeV, however the experimental collaborations at the LHC are also searching for extra scalar particles whose presence may hint to an extended Higgs sector, typical of many extensions of the standard model. We study a model independent parametrisation of a scalar particle lighter than the 126 GeV Higgs boson, which may be easily implemented in the ongoing searches by ATLAS and CMS. Indeed many effective Lagrangians/parametrisations used at present for the description of the Higgs sector implicitly assume that no light particles other than the standard model ones are present in the spectrum. We therefore introduce a parametrisation of a two scalars model, one corresponding to the 126 GeV Higgs boson and the other to a lighter scalar. After the introduction of such a tool, we consider two typical examples falling in this category, in order to illustrate the use of our formalism: the two Higgs doublet model and the next to minimal supersymmetric standard model. Our results agree with the specific studies performed for these models. Furthermore, employing such a generic parametrisation allows us to translate the bounds to any model beyond the standard model falling into this class.

연구 동기 및 목표

• 126 GeV 상태를 초월한 경량 힉스 스칼라에 대한 LHC 제약 조건을 해석하기 위한 표준화된 프레임워크의 부재를 해결하기 위해.
• 동일한 질량을 가진 표준모형 힉스와 비교하여 정규화된 결합 수정자를 사용해 두 스칼라 시스템—하나는 126 GeV 힉스에 해당하고, 다른 하나는 더 가벼운 스칼라—에 대해 모형에 종속되지 않는 매개변수화를 개발하기 위해.
• 126 GeV 힉스에 대한 실험 제약 조건을 어떤 BSM 모형의 경량 스칼라로도 직접 번역할 수 있도록 하여 이론과 실험 간의 인터페이스를 향상시키기 위해.
• 이 매개변수화의 유용성을 2HDM-II 및 NMSSM와 같은 특정 모형을 구분하는 관점에서 관측 가능한 결합 상관관계를 통해 보여주기 위해.

제안 방법

• fermion 및 벡터 보손에 대해 $\kappa_{f,i} = g_{h_i ff}^{\text{BSM}} / g_{h_{\text{SM}}, ff}^{\text{SM}}$ 를 정의하여, 동일한 질량을 가진 표준모형 힉스와의 비율에 따라 정규화된 결합 수정자를 도입한다.
• 광자 및 글루온의 루프 유도 결합은 $\kappa_{\gamma,i}$ 및 $\kappa_{g,i}$ 를 통해 매개변수화하며, 이는 루프 기여로부터 유도된다.
• 카스토달 대칭과 $\mathcal{CP}$-보존 가정을 적용하여 스칼라 섹터의 구조를 제약한다.
• 이 매개변수화를 두 가지 벤치마크 모형—2HDM (유형 I, II, III, IV) 및 NMSSM—에 적용하여 그 예측 능력을 시험한다.
• LHC에서의 신호 강도 제약(예: $gg \to h_1 \to \gamma\gamma$)을 사용하여 $\kappa$-매개변수 공간 내 허용 영역을 매핑한다.
• 중량 힉스 근사에서의 근사 관계를 기반으로 하여 특정 2HDM 유형에서 $\kappa_{t,1} = \kappa_{V,1}/2$ 또는 $\kappa_{b,1} = 2/\kappa_{V,1}$ 와 같은 해석적 관계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 힉스 스칼라에 대한 보편적인 매개변수화는 어떻게 구성할 수 있으며, 이를 통해 다양한 모형 간의 LHC 제약 조건 비교가 가능해지는가?
• RQ2 2HDM-II 및 NMSSM와 같은 특정 BSM 모형에서 $\kappa$ 매개변수 간의 뚜렷한 상관관계는 무엇이며, 이는 어떻게 신호 강도에 영향을 주는가?
• RQ3 UV 세부 정보 없이도 $gg \to h_1 \to \gamma\gamma$ 채널에서의 신호 강도 증가가 $\kappa$-매개변수 상관관계만으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 2HDM-II 및 NMSSM은 유사한 기본 대칭성을 공유하고 있음에도 불구하고, $\kappa_{V,1}$–$\kappa_{b,1}$ 및 $\kappa_{V,1}$–$\kappa_{t,1}$ 평면에서 다른 허용 영역을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 이 매개변수화는 향후 LHC에서의 경량 스칼라 탐색 결과 해석을 얼마나 단순화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이 매개변수화는 2HDM-II 및 NMSSM에서 알려진 제약 조건을 성공적으로 재현하여, 기존의 모형별 분석과의 일관성을 검증한다.
• 2HDM-II에서는 양성자-양성자 결합 쿠론의 강한 상관관계로 인해 허용 $\kappa$-매개변수 공간이 뚜렷한 직선 형태로 나타나며, $\kappa_{t,1} = \kappa_{V,1}/2$ 또는 $\kappa_{b,1} = 2/\kappa_{V,1}$ 와 같은 형태를 띤다.
• 2HDM-II에서 $\kappa_{b,1} \approx 0$ 영역는 $\kappa_{V,1} \neq 0$ 이면 금지된다. 이는 $\gamma\gamma$ 신호 강도가 크게 증가하여 LHC 데이터와 모순되기 때문이다.
• 신호 강도 증가 현상은 비-zero $\kappa_{\gamma,1}$ 와 함께 $\kappa_{b,1} \approx 0$ 에 의해 설명되며, NMSSM에서는 카이니오의 루프 기여가 증가에 기여한다.
• 이 매개변수화를 통해 실험 결과를 모형에 종속되지 않게 해석할 수 있다. 예를 들어, $\gamma\gamma$ 신호 강도가 1을 초과하는 것은 특정 $\kappa$-매개변수 구성으로 직접 연결될 수 있으며, 이는 UV 모형을 명시하지 않아도 된다.
• 이 방법을 통해 126 GeV 힉스에서의 LHC 제약 조건을 어떤 경량 스칼라로도 효율적으로 번역할 수 있으며, 반복적인 모형별 재계산의 필요성을 줄일 수 있다.