[논문 리뷰] Snowmass White Paper: Prospects of CP-violation measurements with the Higgs boson at future experiments

A. V. Gritsan, Bahl, H.외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 향후 충돌기, 즉 양성자, 뮤온, 하드론, 전자-양전자, 렙톤-하드론 기계를 포함한 다양한 기기에서 힉스 보손 상호작용에서의 CP 위반 측정 가능성을 평가한다. 이는 힉스 붕괴 및 생성 과정을 통한 CP-홀드 쿠플링에 대한 민감도를 예측하며, 향후 실험들이 전기 dipole moment (EDM) 제약과 경쟁 가능한 수준의 CP 위반 매개변수를 탐색할 수 있음을 보여준다 — 특히 여러 쿠플링이 동시에 비제로일 경우, EDM 제약이 상쇄 효과로 인해 덜 엄격해지기 때문이다.

ABSTRACT

The search for CP violation in interactions of the Higgs boson with either fermions or bosons provides attractive reference measurements in the Particle Physics Community Planning Exercise (a.k.a. "Snowmass"). Benchmark measurements of CP violation provide a limited and well-defined set of parameters that could be tested at the proton, electron-positron, photon, and muon colliders, and compared to those achieved through study of virtual effects in electric dipole moment measurements. We review the current status of these CP-sensitive studies and provide projections to future measurements.

연구 동기 및 목표

• 향후 충돌기가 페르미온 및 게이지 보손과의 힉스 보손 CP 위반 쿠플링에 대해 얼마나 민감한지를 평가하는 것.
• 향후 충돌기 실험의 예측 가능 범위를 현재 전기 dipole moment (EDM) 측정으로부터의 제약과 비교하는 것.
• 다양한 충돌기 유형에서 CP-홀드 쿠플링 측정에 가장 유망한 힉스 생성 및 붕괴 채널을 특정하는 것.
• 다수의 비제로인 CP-홀드 쿠플링이 미치는 영향을 정량화하며, 특히 EDM 상쇄 효과로 인한 매개변수 공간의 혼동 문제를 다루는 것.

제안 방법

• 효율적 장 이론(EFT)을 사용하여 윌슨 계수를 통해 CP-홀드 힉스 쿠플링을 매개변수화하고, 관측 가능한 붕괴 및 생성 확률와 연관짓는다.
• Higgs 붕괴에서의 CP 위반 효과를 $VV'$, $ff'$, $gg$ 최종 상태에 대해 $f_{CP}^{X}$ 형식으로 표현한다.
• $H\to\gamma\gamma$, $HZ\gamma$, $HZZ$, $HWW$, $Ht\bar{t}$, $H\to\tau^+\tau^-$ 과정에 대해 신호율과 배경을 시뮬레이션하여 향후 충돌기의 민감도를 예측한다.
• EDM 예측을 위해 EFT 계수를 강입자 및 핵 양자역학 행렬원소를 사용하여 변환함으로써 충돌기 탐색 능력과 EDM 제약을 비교한다.
• EDM 제약 하에서 허용 가능한 매개변수 공간을 평가하기 위해 제약되지 않은 쿠플링 조합의 마진화를 수행한다.
• Rfit 접근법을 사용하여 핵 양자역학 행렬원소를 변화시켜 $Hgg$, $Huu$, $Hdd$ 쿠플링에 대한 EDM 기반 제약의 불확실성 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 양성자, 뮤온, 전자-양전자 충돌기에서 게이지 보손 및 페르미온과의 CP-홀드 힉스 쿠플링에 대해 어떤 민감도를 보일 수 있는가?
• RQ2 여러 개의 비제로인 CP-홀드 쿠플링이 동시에 존재할 경우, EDM 제약와 충돌기 기반 민감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 EDM 기여의 상쇄 효과로 인해 엄격한 EDM 제약에도 불구하고 큰 CP-홀드 쿠플링 값이 허용되는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 핵 양자역학 행렬원소의 불확실성은 힉스 보손의 CP-홀드 쿠플링에 대한 EDM 제약 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 힉스 생성 및 붕괴 채널이 향후 충돌기에서 CP 위반 탐색에 가장 민감한 탐지 수단이 되는가?

주요 결과

• 향후 충돌기는 $H\gamma\gamma$, $HZ\gamma$, $HZZ$ 쿠플링에 대해 현재의 EDM 제약 수준과 경쟁 가능한 민감도로 CP-홀드 힉스 쿠플링을 탐색할 수 있다.
• 단일 CP-홀드 쿠플링만 비제로일 경우, $Hgg$, $Huu$, $Hdd$ 쿠플링를 제외한 나머지 쿠플링에 대해 EDM 제약가 LHC 제약보다 수 개의 주자 수준으로 더 엄격하다.
• 여러 비제로 쿠플링이 존재할 경우, 예를 들어 $f_{CP}^{H\gamma\gamma}$, $f_{CP}^{HZ\gamma}$, $f_{CP}^{HZZ}$와 같이 EDM 기여에서 상쇄 효과가 발생하여 매개변수 공간의 상당 부분이 허용된다.
• $Hgg$, $Huu$, $Hdd$ 쿠플링에 대한 제약에서 중성자 및 mercury EDM이 주요 기여를 하며, 핵 양자역학 행렬원소의 불확실성으로 인해 중심값 대비 극단값을 사용할 경우 제약 수준이 약 $\sim10^3$ 배 정도 변동한다.
• $f_{CP}^{H\gamma\gamma}$ 및 $f_{CP}^{H\tau\tau}$에 대한 EDM 제약는 14 TeV에서 LHC 민감도와 유사하여, 향후 충돌기가 이 채널에서 LHC를 초월할 가능성이 있음을 시사한다.
• EDM 상쇄 효과가 있더라도, 복수의 붕괴 채널과 생성 모드를 조합한 충돌기 측정은 큰 영역의 매개변수 공간을 배제할 수 있으며, 특히 이러한 조합이 효과를 발휘한다.