[논문 리뷰] Constraints on scalar and vector leptoquarks from the LHC Higgs data

Jian Zhang, C. X. Yue외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 56인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 루프 유도 Higgs 생성(gg→h)과 붕괴(h→γγ)에 초점을 맞추어 LHC 힉스 데이터(런 I 및 런 II)를 사용하여 스칼라 및 벡터 렙토쿼크(LQ)의 제약 조건을 조사한다. 스칼라 LQ에 대해 모델 독립적 제약 조건을 제공하고, '4321' 모델 내에서 벡터 LQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$를 분석하여, Higgs 데이터와 $R_{D^{(*)}}$, $R_{K^{(*)}}$ 측정치를 함께 사용한 피팅을 통해 진공 기대값 $\upsilon_3$와 $\upsilon_1$을 결정하는 방법을 유도한다. 주요 결과는 루프 기여가 지배하는 경우, 95% 신뢰수준에서 $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2 \in [0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$로 제약이 부여된 것이다.

ABSTRACT

We study contributions of single scalar or vector leptoquark (LQ) to loop-induced Higgs processes, gluon fusion production ($g g o h$) and $h o γγ$ decay, by analyzing the current Higgs data from the LHC Run I and II. Scalar LQ is studied in a model independent way, while the vector LQ $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$ is discussed in the '4321' model. Constraints on the interactions of LQ and Higgs boson are obtained. We provide a method to determine vacuum expectation values $\upsilon_3$ and $\upsilon_1$ of the new scalar fields $Ω_3$ and $Ω_1$ in the '4321' model via the combination of Higgs data and measurements of $R_{D^{(*)}}$ and $R_{K^{(*)}}$.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 I 및 런 II의 정밀 힉스 데이터를 사용하여 스칼라 및 벡터 렙토쿼크의 힉스 보손과의 결합 상수를 제약 조건화하는 것.
• B-메손 비정상성들을 설명하기 위해 고안된 '4321' 모델 내에서 벡터 렙토쿼크 $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$를 연구하는 것.
• '4321' 모델 내의 새로운 스칼라 장의 진공 기대값 $\upsilon_3$와 $\upsilon_1$을 힉스 데이터와 $B$-붕괴 측정치를 함께 사용한 피팅을 통해 결정하는 방법을 개발하는 것.
• $U_1$ 렙토쿼크가 루프 기여와 트리 수준 기여를 통해 동시에 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 비정상성을 설명할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• LHC 힉스 데이터를 사용하여 루프 유도 Higgs 생성(gg→h)과 붕괴(h→γγ)에 대한 스칼라 렙토쿼크의 기여를 모델 독립적으로 분석하는 것.
• '4321' 모델에 벡터 렙토쿼크 $U_1$를 통합하여 $b\to s\ell\ell$ 전이에 대한 트리 수준 및 루프 수준 기여를 계산하는 것.
• 좁은 폭 근사를 사용하여 힉스 신호 강도를 결합 수정 계수 $\kappa_g$, $\kappa_\gamma$, $\kappa_h$로 분리하여 데이터와 비교하는 것.
• 상관 불확도를 고려한 $\chi^2$ 최소화 방법을 사용하여 이론적 예측값 $\Delta C^{\mu\mu}_{9}$ 및 $\Delta R_{D^{(*)}}$를 실험 측정치에 피팅하는 것.
• 트리 수준 기여가 지배하는 경우(시나리오 A)와 루프 수준 기여가 지배하는 경우(시나리오 B)의 두 가지 시나리오를 별도로 분석하는 것.
• Higgs 및 $B$-붕괴 데이터를 함께 사용한 피팅을 통해 95% 신뢰수준에서 $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$에 대한 제약 조건을 유도하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 I 및 런 II의 통합 힉스 데이터를 통해 스칼라 렙토쿼크의 힉스 보손과의 결합 상수에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 '4321' 모델 내에서 $b\to s\ell\ell$ 전이에 대한 벡터 렙토쿼크 기여는 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 비정상성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 '4321' 모델 내에서 $\upsilon_3$와 $\upsilon_1$의 진공 기대값은 힉스 데이터와 $B$-메손 붕괴 측정치를 함께 피팅하여 결정할 수 있는가?
• RQ4 $U_1$의 트리 수준 기여와 루프 수준 기여가 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 비정상성에 대해 상대적으로 어떤 중요성을 가지는가?
• RQ5 현재 실험 데이터에 피팅할 때 $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$의 允許 범위는 95% 신뢰수준에서 얼마인가?

주요 결과

• 트리 수준 $U_1$ 기여가 지배하는 시나리오 A에서는 $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$에 대한 95% 신뢰수준 구간이 $[1.127, 2.226]\ \text{TeV}^2$로 제약이 부여된다.
• 루프 기여가 지배하는 시나리오 B에서는 $\upsilon_3^2 + \upsilon_1^2$에 대한 95% 신뢰수준 구간이 $[0.939, 1.748]\ \text{TeV}^2$이며, 최적 피팅 값은 $1.220 \pm 0.187\ \text{TeV}^2$이다.
• 스칼라 렙토쿼크에 대한 모델 독립적 분석을 통해 통합 LHC 런 I 및 런 II 힉스 데이터를 사용하여 그들의 힉스 보손과의 결합 상수에 대한 업데이트된 제약 조건을 도출하였다.
• 벡터 렙토쿼크 $U_1(\mathbf{3},\mathbf{1},2/3)$는 '4321' 모델 프레임워크 내에서 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 비정상성을 모두 설명할 수 있는 타당한 해법을 제공한다.
• $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 데이터에 대한 피팅 결과로 $\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{tree}} = -0.41 \pm 0.10$ 및 $\left.\Delta C^{\mu\mu}_{9,U_1}\right|_{\text{loop}} = -1.01 \pm 0.20$를 도출하였으며, 이는 뚜렷한 새로운 물리 기여를 시사한다.
• 개발된 방법은 힉스 신호 강도 데이터와 $B$-메손 붕괴 측정치를 통합함으로써 $\upsilon_3$와 $\upsilon_1$을 일관되게 결정할 수 있게 하여, '4321' 모델 내 이론적 불확도를 감소시킨다.