[논문 리뷰] Use of $Z$ polarization in $e^+e^- o ZH$ to measure the triple-Higgs coupling

K. Rao, Saurabh D. Rindani외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 향후 $e^+e^- \to ZH$ 반응에서 스핀이 극화된 Z 보손의 붕괴에서 발생하는 레프톤의 애자이뮬라 각도 비대칭을 이용하여, 수준별 ZZH 상호작용에 영향을 받지 않고 루프 유도된 비정상적인 삼중 힉스 상호작용을 고립하고 측정하는 방법을 제안한다. 이 방법은 시간 역전에 대해 홀인 비대칭성을 활용하여 루프 수준의 힉스 자기상호작용 효과에 직접 접근할 수 있도록 한다. 500 GeV에서 30 fb$^{-1}$의 루미너시와 $-80\%$ 및 $+30\%$의 입자 극화 조건에서 $\kappa \lesssim 2.40$의 한계를 확보할 수 있다.

ABSTRACT

It is shown that a certain angular asymmetry of charged leptons produced in the decay of $Z$ in the process $e^+e^- o ZH$, related to a tensor polarization component of the $Z$, can be used to constrain the anomalous triple-Higgs coupling, independent of the other anomalous couplings like the $ZZH$ coupling which dominate at tree level. This is because the angular asymmetry is odd under na\" ive time reversal, and hence dependent on loop-level contributions. At a future $e^+e^-$ collider like the International Linear Collider (ILC), for example, a limit of about $3.4$ might be placed on the ratio of the actual triple Higgs coupling to that predicted in the standard model for a centre-of-mass energy of 500 GeV and an integrated luminosity of 30 fb$^{-1}$ with electron and positron beams having longitudinal polarization of $-80\%$ and $+30\%$, respectively.

연구 동기 및 목표

• 미래의 $e^+e^- \to ZH$ 반응에서 지배적인 수준별 ZZH 비정상 상호작용에 의해 영향을 받지 않고 루프 수준의 삼중 힉스 상호작용 기여를 고립하는 것.
• 시간 역전에 대해 홀인 비대칭성에 민감한 방법을 개발하여, 이는 단순한 시간 역전에 대해 홀인 복소부분의 진폭에만 민감하다.
• 수준별 ZZH 상호작용에 대한 사전 지식 없이도 비정상적인 삼중 힉스 상호작용 $\kappa$에 대한 모델 독립적인 제약 조건을 제공하는 것.
• 실제로 계획된 입자 극화 및 루미너시 조건 하에서 향후 $e^+e^-$ 충돌기(예: ILC, CEPC, FCC-ee)에서 이 방법의 민감도를 평가하는 것.

제안 방법

• Z 보손의 붕괴 레프톤에서 시간 역전에 대해 홀인 비대칭성 $A_{yz}$를 이용하며, 이는 Z 보손의 텐서 극화 성분 $T_{yz}$ 에 기반한다.
• 논문 [6] 의 형식적 접근을 활용하여 Z 보손의 텐서 극화를 Z 보손의 정지 프레임에서의 양성 레프톤의 애자이뮬라 각도 분포와 연결한다.
• 비대칭성 $A_{yz}$ 는 산란 진폭의 허수부분(흡수부분)에 비례하며, 이는 오직 루프 수준 기여에서 기인한다.
• 이 방법은 삼중 힉스 상호작용의 기여를 고립할 수 있는데, 이는 주로 알려진 다른 상호작용(예: 토프-요카다 상호작용)에 비해 알려지지 않은 주요 루프 진폭이기 때문이다.
• 실제로 ILC에서 계획된 것과 동일한 조건(전자: $-80\%$, 양전자: $+30\%$)의 종방향 입자 극화를 가정하여 다양한 충돌기 에너지와 루미너시 조건에서 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 비대칭성 $A_{yz}$ 를 기반으로 표준모형 값에서의 분수적 편차에 대한 $1\sigma$ 한계를 통해 $\kappa$ 에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 역전에 대해 홀인 $e^+e^- \to ZH$ 의 각도 비대칭성은 루프 기여를 고립하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 제안된 비대칭성 $A_{yz}$ 는 수준별 비정상 ZZH 상호작용에 의해 영향을 받는가? (이러한 상호작용은 교차단면을 지배한다.)
• RQ3 실제로 계획된 입자 극화 및 루미너시 조건 하에서 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 이 방법의 비정상적인 삼중 힉스 상호작용 $\kappa$ 에 대한 민감도는 어떠한가?
• RQ4 비극화된 입자에 비해 입자 극화가 $\kappa$ 에 대한 민감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 수준별 ZZH 상호작용이 알려지지 않았거나 비표준 모형일 경우에도 이 방법이 $\kappa$ 에 대한 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 중심 질량 에너지 500 GeV와 통합 루미너시 30 fb$^{-1}$ 조건에서, 이 방법은 수준별 ZZH 기여와 무관하게 $\kappa \lesssim 2.40$ 의 $1\sigma$ 한계를 확보한다.
• 종방향 입자 극화($e^-$: $-80\%$, $e^+$: $+30\%$)를 적용하면 비극화된 입자에 비해 민감도가 4배 到 5배 향상된다.
• 동일한 조건에서 $\kappa = 1$ 일 때 비대칭성 $A_{yz}$ 는 $-4.00$ 으로 측정되었으며, 30 fb$^{-1}$ 에서의 $1\sigma$ 불확실도는 $1.15$ 였다.
• 수준별 상호작용이 알려져 있을 경우 교차단면 기반 측정보다 민감도가 낮지만, 이러한 상호작용이 알려져 있지 않을 경우에 중요한 이점이 있다.
• $\sqrt{s} = 500$ GeV 및 $L = 10$ fb$^{-1}$ 조건에서 한계는 $\kappa \lesssim 4.16$ 으로 향상되며, 경쟁 가능한 민감도를 확보하기 위해 고루미너시가 필요함을 보여준다.
• 비대칭성 $A_{yz}$ 는 단순한 시간 역전에 대해 홀이며, 진폭의 흡수부분에 비례함을 확인하여, 오직 루프 수준 물리 현상(삼중 힉스 상호작용 포함)에만 민감하다는 점을 보장한다.