[논문 리뷰] The Higgs Portal Above Threshold

Nathaniel Craig, Hou Keong Lou외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 59인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 향후 100 TeV 히드론 충돌기에서 무거운 힉스 포털 스칼라의 발견 잠재력을 조사하며, 힉스 보손 질량의 반보다 큰 스칼라 질량에서 온-shell 힉스 붕괴 생성이 불가능한 도전적인 영역을 중심으로 다룬다. 벡터 보손 융합, 몰로제트, 토프어리어 생산과 같은 연계 과정에서의 오프-shell 힉스 보손 생성을 통해, 주요 새로운 물리 현상 시나리오에 대한 민감도 예측을 수행한다. 그 결과, 100 TeV 충돌기가 전자기적 바리온제너레이션, 암흑물질, 자연성과 관련된 매개변수 공간의 중요한 영역을 탐색할 수 있음을 보여주며, 힉스 결합 측정치에서의 사전 신호 없이도 가능하다.

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson opens the door to new physics interacting via the Higgs Portal, including motivated scenarios relating to baryogenesis, dark matter, and electroweak naturalness. We systematically explore the collider signatures of singlet scalars produced via the Higgs Portal at the 14 TeV LHC and a prospective 100 TeV hadron collider. We focus on the challenging regime where the scalars are too heavy to be produced in the decays of an on-shell Higgs boson, and instead are produced primarily via an off-shell Higgs. Assuming these scalars escape the detector, promising channels include missing energy in association with vector boson fusion, monojets, and top pairs. We forecast the sensitivity of searches in these channels at $\sqrt{s} = 14$ & 100 TeV and compare collider reach to the motivated parameter space of singlet-assisted electroweak baryogenesis, Higgs Portal dark matter, and neutral naturalness.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 질량이 힉스 보손 질량의 반을 초과할 경우 온-shell 힉스 붕괴 생성이 불가능해지는 상황에서, 힉스 포털을 통해 생성되는 무거운 싱เก트론 스칼라의 충돌기 서명을 체계적으로 평가하는 것.
• 벡터 보손 융합, 몰로제트, 토프어리어 생산과 같은 검색 채널을 식별하고 최적화하여, 이들 중량 스칼라의 부재 에너지 서명을 통해 탐지하는 것.
• 14 TeV LHC와 잠재적인 100 TeV 하드론 충돌기의 발견 및 배제 가능성을 전자기적 바리온제너레이션, 힉스 포털 암흑물질, 중성 자연성과 같은 동기화된 새로운 물리 시나리오에 대해 평가하는 것.
• 효과적 장 이론의 한계를 넘어서, 양성자-연결된 생성에서의 비파라미터리 효과를 정확히 고려하기 위해 최초 주기의 HEFT 몬테카를로 시뮬레이션에 재가중을 적용하는 것.
• 정밀한 힉스 결합 측정치에서의 편차가 없이도 100 TeV 충돌기가 중량 있는 힉스 포털 상태를 발견하거나 배제할 수 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• 실수 스칼라 싱게트론이 표준모형 힉스와 연관된 연산자 $|H|^2 \phi^2$를 통해 힉스 포털 모델에 연결되며, 스칼라가 힉스와 혼합되지 않도록 보호하는 $Z_2$ 대칭성을 가진다.
• 스칼라 쌍이 온-shell 힉스 붕괴로 생성될 수 없는 영역인 $m_\phi > m_h/2$에 집중하며, 대신 오프-shell 힉스 보손 생성($pp \to h^* + X \to \phi\phi + X$)에 의존한다.
• 글루온 및 토프어리어 쿼크와 연계된 생성에 대해 최초 주기의 HEFT 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 효과적 장 이론 근사의 편차를 보정하기 위해 재가중을 적용한다.
• $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $\sqrt{s} = 100$ TeV에서 벡터 보손 융합, 몰로제트, 토프어리어 연계 생성의 부재 에너지 최종 상태에 대한 민감도를 예측한다.
• 열역학 잠재력 계산을 통해 인프라레드 발산을 재수렴시키며, 매개변수 공간을 전자기적 바리온제너레이션, 힉스 포털 암흑물질, 중성 자연성과 같은 동기화된 모델과 평가한다.
• 특히, 100 TeV 기계가 정밀한 힉스 결합 측정치에서의 편차 없이도 매개변수 공간의 영역을 탐색할 수 있는지 평가하기 위해 이론 모델과의 충돌기 탐색 가능성을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온-shell 힉스 붕괴 생성이 운동역학적으로 불가능한 상황에서, $m_\phi > m_h/2$ 인 중량 있는 힉스 포털 스칼라의 주요 충돌기 서명은 무엇인가요?
• RQ2 다양한 연계 생성 모드에서 14 TeV LHC와 잠재적인 100 TeV 하드론 충돌기 간의 이들 중량 스칼라 탐지 민감도는 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 정밀한 힉스 결합 측정치에서의 편차가 없이도 100 TeV 충돌기가 전자기적 바리온제너레이션, 암흑물질, 중성 자연성에 의해 동기화된 매개변수 공간의 영역을 탐색할 수 있나요?
• RQ4 글루온-연계된 생성에서의 비파라미터리 효과는 발견 가능성 예측의 정확도에 어떤 영향을 미치며, 효과적 장 이론의 한계를 넘어서 필요한 보정은 무엇인가요?
• RQ5 벡터 보손 융합, 몰로제트, 또는 토프어리어 중 어느 최종 상태가 오프-shell 영역에서 중량 있는 힉스 포털 스칼라 탐지에 가장 높은 민감도를 제공합니까?

주요 결과

• 100 TeV 하드론 충돌기는 힉스 포털을 전자기적 바리온제너레이션, 암흑물질, 중성 자연성과 관련된 강력한 동기화된 매개변수 공간의 영역에서 탐색할 잠재력을 지닌다. 이는 힉스 결합 측정치에서의 사전 신호 없이도 가능하다.
• $m_\phi \lesssim 200$ GeV 범위에서, 100 TeV 기계는 정밀한 힉스 결합 측정치에서의 편차 없이도 고질량 힉스 포털 상태를 발견할 수 있으며, 이는 그 질량 범위까지의 원형 $e^+e^-$ 충돌기의 탐색 가능성을 초월한다.
• 벡터 보손 융합이 100 TeV에서 중량 있는 힉스 포털 스칼라 탐지에 가장 유망한 채널로 나타나지만, 글루온 및 토프어리어 쿼크와 연계된 생성도 중요한 민감도 기여를 한다.
• 이 연구는 최초 주기의 HEFT 몬테카를로 시뮬레이션에 재가중을 적용하는 것이, 효과적 장 이론 근사가 오프-shell 영역에서 붕괴하기 때문에 글루온-연계된 생성을 정확히 모델링하기 위해 필수적임을 입증한다.
• 14 TeV에서는 민감도가 제한적이지만, LHC 런 2 기간 동안 중량 있는 힉스 포털 상태에 대한 최적화된 검색이 여전히 타당하다.
• 분석 결과 오프-shell 힉스 생성 메커니즘이 온-shell 힉스 붕괴가 운동역학적으로 불가능한 상황에서도 여전히 발견 가능성을 유지함을 보여주며, 이는 중량 있는 싱게트론 스칼라를 탐색하는 데 핵심적인 채널임을 시사한다.