[論文レビュー] Anomalous Higgs Yukawa Couplings and Recent LHC Data

Arindam Das, Nobuhito Maru+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、LHCラン2でのCMSによる$t\bar{t}H$生成の増強観測（SM予測の1.5 ± 0.5倍の信号強度）を説明できるかどうかを検討する。異常なヒッグス・ユカワ結合（トップおよびボトムクォークに対する）が、最近のCMS観測結果を説明できるかを検証する。その結果、ボトムのユカワ結合が10–40%減少し、トップの結合が0–20%のずれを示すことで、LHCラン1のヒッグス信号強度制約とLHCラン2のCMSデータの両方を同時に満たすことが可能であることが判明した。

ABSTRACT

Very recently, the CMS collaboration has reported a search for the production for a Standard Model (SM) Higgs boson in association with a top quark pair ($t bar{t} H$) at the LHC Run-2 and a best fit $t bar{t} H$ yield of $1.5 pm 0.5$ times the SM prediction with an observed significance of $3.3 sigma$. We study a possibility of whether or not this observed deviation can be explained by anomalous Higgs Yukawa couplings with the top and the bottom quarks, along with the LHC Run-1 data for the Higgs boson properties. We find that anomalous top and bottom Yukawa couplings with about $0-20$% and $10-40$% reductions from their SM values, respectively, can simultaneously fit the recent CMS result and the LHC Run-1 data.

研究の動機と目的

• LHCラン2における$t\bar{t}H$生成の観測された3.3σの過剰を、異常なヒッグス・ユカワ結合が説明できるかどうかを評価すること。
• このような異常な結合が、複数の崩壊モードにおけるヒッグス信号強度に関する包括的なLHCラン1データと整合的かどうかを検証すること。
• CMSラン2の結果とラン1の制約の両方を同時に満たす$(c_t, c_b)$-平面上の有効なパラメータ領域を特定すること。
• ランダム・サンズ・モデルやコンpositeヒッグスのシナリオなどの、well-motivatedなBSMモデルにおいて、このようなずれが妥当であるかを検討すること。

提案手法

• トップおよびボトムのユカワ結合のずれを$Y_t = c_t Y_t^{\text{SM}}$および$Y_b = c_b Y_b^{\text{SM}}$としてパrametrizeし、$c_t, c_b = 1$がSMに対応する。
• ヒッグス崩壊の部分幅を計算し、$\Gamma_{H \to gg} \propto c_t^2$、$\Gamma_{H \to bb} \propto c_b^2$、およびトップと光子のループ寄与による$\Gamma_{H \to \gamma\gamma}$を含める。
• ラン1のデータからの制約を用いて、$X = \gamma\gamma, WW, ZZ, bb, \tau\tau, ttH$の各モードについて、信号強度$\mu_X = \sigma_{\text{prod}} \times \text{BR}(H \to X) / \sigma_{\text{SM}} \times \text{BR}_{\text{SM}}(H \to X)$を計算する。
• $(c_t, c_b)$パラメータ空間を走査するための主要な制約として、CMSラン2の結果$\mu^{ttH} = 1.5 \pm 0.5$を用いる。
• ラン1の68%CLの制約を適用：$0.96 \leq \mu^{\gamma\gamma} \leq 1.33$、$0.93 \leq \mu^{WW} \leq 1.27$、$1.06 \leq \mu^{ZZ} \leq 1.55$、$0.43 \leq \mu^{bb} \leq 0.99$、$0.89 \leq \mu^{\tau\tau} \leq 1.35$、および$1.0 \leq \mu^{ttH} \leq 2.0$。
• すべての制約を同時に満たす$(c_t, c_b)$-平面上の許容領域を特定し、特に$\Gamma_{H \to bb}$の減少が$WW/ZZ$モードへの相対的ブランチ比の増加を引き起こす役割に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常なヒッグス・トップおよびヒッグス・ボトムのユカワ結合は、LHCラン2でCMSが観測した$t\bar{t}H$生成の3.3σの過剰を説明できるか？
• RQ2 トップおよびボトムのユカワ結合におけるどの程度のずれが、CMSラン2の$t\bar{t}H$信号強度とLHCラン1のヒッグス信号強度データの両方に整合的か？
• RQ3 純粋に減少したボトムのユカワ結合のみで、観測された$t\bar{t}H$の増強を説明でき、かつラン1の制約と整合的か？
• RQ4 異常な結合がある場合、$c_t$および$c_b$に応じて、さまざまなヒッグス崩壊モードの部分幅および信号強度はどのように変化するか？
• RQ5 このような異常な結合は、ユカワ結合がSM予測からずれる可能性があるランダム・サンズ・モデルやコンポジット・ヒッグスモデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• ボトムのユカワ結合が10–40%減少（$c_b \approx 0.6$から$0.9$）することで、$t\bar{t}H$信号強度の増強を説明でき、かつラン1のデータとも整合的である。
• 最も経済的な解決策は、ボトムのユカワ結合の減少のみを含み、トップ結合（$c_t$）はSM値から0–20%の範囲で変動する。
• $(c_t, c_b)$-平面上の許容領域は、CMSラン2の$t\bar{t}H$信号強度とラン1の信号強度制約によって制限されており、論文の図におけるグレーの斜線部がすべての制約を満たす。
• $WW/ZZ$崩壊レートの増加は、$\Gamma_{H \to bb}$の減少に起因し、これにより$WW/ZZ$モードへの相対的ブランチ比が増加する。
• これらのモードは$c_b$に対してほとんど感度を示さないため、異常な結合があっても$\gamma\gamma$および$\tau\tau$信号強度は妥当な範囲に保たれる。
• 将来の高精度実験（例：ILC）では、ボトムのユカワ結合を${\cal O}(1)\%$の精度で測定可能であり、このシナリオの決定的検証が可能になる。