[논문 리뷰] Testing Effective Yukawa Couplings in Higgs Searches at the Tevatron and LHC

Emidio Gabrielli, B. Mele|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 82인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 페르미온 질량이 Λ > v 스케일에서 새로운 물리에 의해 유도되는 효과적인 양자장이론 프레임워크를 제안한다. 이에 따라 전자약력 스케일에서 반복적으로 유도된 효과적 요카다 상수들이 나타나며, 이는 경량 힉스 보손(mH < 150 GeV)의 경우 H → γγ 및 WW/ZZ 붕괴가 크게 증가하고, H → b̄b 붕괴가 Λ의 크기에 따라 주도적이거나 γγ 붕괴와 유사해질 수 있음을 보여준다. LHC에서는 벡터보존 융합(VBF)이 주요 힉스 생성 메커니즘이 되며, 다양한 붕괴 채널을 통해 Λ 스케일에 대한 강력한 감도를 제공한다.

ABSTRACT

We explore the possibility that, while the Higgs mechanism provides masses to the weak-gauge bosons at the electroweak scale as in the standard model, fermion masses are generated by an unknown mechanism at a higher energy scale. At low energies, the standard model can then be regarded as an effective field theory, where fermion masses explicitly break the electroweak SU(2)_L imes U(1)_Y gauge symmetry. If \Lambda is the renormalization scale where the renormalized Yukawa couplings vanish, then at energies lower than \Lambda, effective Yukawa couplings will be radiatively induced by nonzero fermion masses. In this scenario, Higgs-boson decays into photons and weak gauge-bosons pairs are in general quite enhanced for a light Higgs. However, depending on \Lambda, a substantial decay rate into b \bar{b} can arise, that can be of the same order as, or larger than, the enhanced H o gamma gamma rate. A new framework for Higgs searches at hadron colliders is outlined, vector-boson fusion becoming the dominant production mechanism at the CERN LHC, with an important role also played by the WH/ZH associated production. A detailed analysis of the Higgs branching fractions and their implications in Higgs searches is provided, versus the energy scale \Lambda.

연구 동기 및 목표

• 페르미온 질량이 v보다 큰 스케일 Λ에서 생성되며, 전자약력 대칭이 v ≈ 246 GeV에서 깨지는 시나리오를 탐색한다.
• Λ 이하의 에너지에서 반복적으로 유도된 효과적 요카다 상수의 현상학적 결과를, 재규격화군(RG) 방법을 사용하여 연구한다.
• Tevatron 및 LHC에서의 힉스 탐색이 Λ 스케일에 대해 어떻게 민감한지 평가하며, 특히 증가된 H → γγ 및 수정된 H → b̄b 분해율을 중심으로 분석한다.
• 이 효과적 요카다 프레임워크에서 LHC에서의 주요 힉스 생성 메커니즘—특히 VBF 및 WH/ZH 연계 생성—을 규명한다.

제안 방법

• 재규격화 스케일 Λ를 정의하여 재규격화된 요카다 상수가 0이 되는 지점으로 삼고, 주로 로그 보정 log^n(Λ/mH)을 포함하는 주요 대칭을 복합적으로 처리하기 위해 RG 방정식을 사용한다.
• 일차원 루프 RG 진화를 통해 v와 Λ 사이에 중대한 새로운 물리가 없다는 가정 하에 전자약력 스케일에서의 효과적 요카다 상수를 계산한다.
• 효과적 요카다 상수 Yf(mH)를 RG 진화로부터 유도하여, 고전적 및 루프 유도 붕괴 공식을 사용해 부분 붕괴 폭을 계산한다.
• √s = 7 TeV 및 14 TeV LHC에서 VBF, ggF, WH/ZH 연계 생성을 통한 힉스 생성 횡단면을 분석한다.
• 다양한 mH 및 Λ 값 범위에서 표준모형(SM) 및 페르미오파틱 힉스(FP) 시나리오와의 분해율 및 신호 강도를 비교한다.
• 예를 들어 mt = 171.3 GeV, αs(MZ) = 0.1172 등의 표준모형 입력 파rameter를 사용하여, 다양한 붕괴 모드에 대한 횡단면 × 분해율을 수치적으로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미온 질량이 Λ > v 스케일에서 생성될 경우, 반복적으로 유도된 효과적 요카다 상수가 힉스 분해율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 LHC에서 Λ 스케일이 H → γγ, H → WW/ZZ, H → b̄b의 상대적 붕괴 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LHC에서의 VBF 생성 방식이 ggF에 비해 Λ 스케일에 대해 향상된 감도를 제공할 수 있는가?
• RQ4 Λ → mH 근처에서 효과적 요카다 모형이 표준모형과 페르미오파틱 힉스 시나리오 사이를 어떻게 보간하는가?
• RQ5 기존 Tevatron 및 LEP 데이터로부터 mH 및 Λ에 대한 제약 조건은 무엇이며, 발견을 위해 필요한 루미너스는 얼마인가?

주요 결과

• mH < 150 GeV일 경우, 특히 Λ가 클 경우, 토프 및 W 보손의 루프 기여로 인해 H → γγ 붕괴 확률이 크게 증가한다.
• Λ가 클 경우, 반복적으로 유도된 효과적 요카다 상수로 인해 H → b̄b 붕괴 확률이 주도적이거나 H → γγ와 유사해질 수 있다.
• LHC에서는 mH < 130–140 GeV 범위에서 VBF가 주요 힉스 생성 모드가 되며, ggF에 비해 신호 대 배경 비율이 뛰어나다.
• VBF를 통한 H → γγ의 총 횡단면 × 분해율은 Λ > 10^4 GeV일 경우, 특히 mH < 120 GeV일 경우 표준모형 예측을 초과할 수 있다.
• 특히 H → γγ 최종 상태에서 WH/ZH 연계 생성 채널은 Λ에 대해 강력한 감도를 제공하며, 큰 Λ에서 표준모형 예측을 초월하는 신호 강도를 보인다.
• 모델은 Λ → mH 근처에서 모든 주요 로그 항이 소멸함에 따라 페르미오파틱 힉스 시나리오로 부드럽게 수렴한다.