[논문 리뷰] What tell us LHC data about Higgs boson parity

I. F. Ginzburg|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 봉우리 실험에서 CMS와 ATLAS가 명시적인 페어리티를 가정하지 않으면, 힉스 보손의 페어리티를 확정적으로 결정할 수 없다고 주장한다. 이는 봉우리 물리학에서 보장되지 않는 조건이다. 분석 결과, 2HDM와 같은 CP 위반 모형에서는 125 GeV 힉스 보손에 상당한 P-홀드 성분이 존재하더라도 표준모형 유사 신호 강도를 유지할 수 있으며, 이는 실험의 결론이 모형 의존적이며, 명시되지 않은 경우 제목이 오해의 소지가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recently CMS and ATLAS announced that they had measured the Higgs boson parity. Here we note that their approach can determine this parity only under the additional assumption that this particle has a definite parity. If parity conservation is violated in the Higgs sector, the parity of observed "Higgs" boson does not exist. The approach used in the mentioned experiments does not allow to observe such opportunity. In this sense titles of mentioned CMS and ATLAS publications are misleading.

연구 동기 및 목표

• LHC 데이터에서 명시적인 페어리티를 가정하지 않고 힉스 보손의 페어리티 측정을 주장하는 것의 타당성을 도전하기 위해.
• CP 위반 모형, 예를 들어 2HDM가 큰 P-홀드 성분을 가진 힉스 보손 상태를 생성할 수 있음을 보여주기 위해.
• 관측된 힉스 신호 강도(예: γγ, ZZ, tt̄h)가 상당한 P-홀드 성분이 존재하더라도 여전히 표준모형 유사성을 유지함을 보여주기 위해.
• 현재 LHC 분석이 힉스 섹터에서 페어리티 보존이 이루어지지 않을 수 있음을 배제하지 못함을 주장하기 위해.
• 페어리티 결정의 모형 의존성에 따라 CMS와 ATLAS 논문의 제목을 더 정확하게 반영할 것을 주장하기 위해.

제안 방법

• CP 보존 및 CP 위반 상황에서의 힉스-게이지 보손 상호작용에 대한 효과적 라그랑지안을 분석한다.
• P-짝수(SM 유사)와 P-홀드(차수 5 연산자) 상호작용에 대해 H→ZZ* 및 H→WW* 붕괴에서 운동량 상관관계를 비교한다.
• 2HDM 프레임워크를 사용하여 P-짝수 및 P-홀드 힉스 상태 간의 혼합을 모델링하고, 주로 1차 근사에서 ZZZ 상호작용이 P-짝수 지배임을 보여준다.
• γγ 및 ZZ 최종 상태에서 표준모형 유사 신호 강도를 재현하기 위해 힉스 상호작용 계수(χaV, χa±, χt)의 파라미터 세트를 사용한다.
• σ(gg→h→γγ)/σSM = 1 및 σ(gg→h→ZZ)/σSM = 1 조건을 만족하면서도 상당한 P-홀드 성분이 포함된 벤치마크 파라미터 세트(I 및 II)를 유도한다.
• 요카와 상호작용 및 복소 위상이 CP 위반을 탐지하는 데서 중요한 역할을 하며, 힉스 보손에 대한 페어리티 보존이 없는 보편적 측정법이 존재하지 않음을 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 실험인 CMS와 ATLAS는 명시적인 페어리티를 가정하지 않으면 힉스 보손의 페어리티를 확정적으로 결정할 수 있는가?
• RQ2 2HDM의 CP 위반 힉스 섹터는 어떤 정도까지 상당한 P-홀드 성분을 가진 힉스 보손을 만들어내며, 同시에 표준모형 유사 신호 강도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 CMS와 ATLAS 논문에서 '페어리티 측정'을 주장하는 제목은 왜 오해의 소지가 있는가?
• RQ4 현재 LHC 데이터는 125 GeV 힉스 보손에 포함된 P-홀드 성분에 대해 어떤 제약 조건을 둔다?
• RQ5 관측된 힉스 보손이 순수한 P-짝수 상태가 아니지만 여전히 표준모형 힉스 신호 강도를 재현할 수 있는 타당한 BSM 시나리오는 존재하는가?

주요 결과

• LHC 실험에서 힉스 페어리티를 결정하는 방법은 명시적인 페어리티를 가정할 때에만 유효하며, 이는 BSM 물리학에서 보장되지 않는다.
• CP 위반 2HDM에서는 관측된 힉스 보손이 γγ 및 ZZ 붕괴 채널에서 표준모형 유사 강도를 유지하면서도 P-홀드 성분이 최대 30%(케이스 I) 또는 50%(케이스 II)까지 존재할 수 있다.
• 벤치마크 세트(I)는 약 30%의 P-홀드 성분을 허용하며, χ1V = 0.9 이고 (χ2V)² + (χ3V)² = 0.19 이다.
• 벤치마크 세트(II)는 약 50%의 P-홀드 성분을 허용하며, χ1V = 0.8 이고 (χ2V)² + (χ3V)² = 0.36 이다.
• 동일한 표준모형 유사 신호 강도는 SM과 강력한 CP 위반 2HDM 시나리오 모두에서 재현될 수 있다.
• P-홀드 성분과 요카와 위상은 독립적인 파rameter이므로, 힉스 보손에 대한 페어리티 보존이 없는 보편적 측정법이 존재하지 않는다.