[논문 리뷰] Dimension-6 Operator Constraints from Boosted VBF Higgs

Ralph Edezhath|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 43인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 효과역학론(효과역학론, SMEFT)에서 차원-6 연산자에 대한 제약을 개선하기 위해, 벡터 보손 융합(VBF) 생성에서 쌓인 Higgs 보손의 횡방향 운동량($p_T$) 분포를 분석함으로써, 특히 $\mathcal{O}_{HW}$ 연산자에 대해 뚜렷한 개선을 이룩한다. 이 방법은 이중광자 최종 상태에 $p_T$ 절단을 적용함으로써 14 테바론 LHC에서 WW 생성과 경쟁 가능한 제약을 달성하며, 더 낮은 $p_T$ 절단을 요구함으로써 고차원 연산자 효과와 단위성 위반에 더 강건한 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

We discuss the constraints on new physics from Higgs production through vector boson fusion in the context of an effective field theory that preserves Standard Model gauge symmetries. We find that the constraints on dimension-6 operators are significantly improved over those from the VBF signal strength by studying the Higgs transverse momentum distribution. Focusing on the $\mathcal{O}_{HW}$ operator, we find that boosted VBF decaying to photons yields constraints competitive with boosted WW production in the fully leptonic final state, and calculate projected limits for both at the 14 TeV LHC. The $p_T$ cuts required to maximize the the reach of VBF searches are substantially softer, making the use of the effective field theory more robust than in the case of WW production which requires very high $p_T$ cuts to obtain similar limits. Boosted VBF Higgs is thus an important probe of new physics.

연구 동기 및 목표

• 블루스트 VBF Higgs 생성을 통해 SMEFT 프레임워크 내에서 차원-6 연산자에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• VBF Higgs가 빛으로 붕괴할 때 $p_T$ 의존성 있는 관측량이 신호 강도 비율에 비해 더 강력한 제약를 제공할 수 있는지 조사하기 위해.
• 완전하게 레프톤 최종 상태에서의 WW 생성과 비교하여 VBF Higgs의 $\mathcal{O}_{HW}$ 감지 민감도를 평가하기 위해.
• 고 $p_T$ 에서의 단위성 위반 위험을 평가함으로써 EFT 기반 제약의 강건성을 평가하기 위해.
• 신물리 탐색의 영향 범위를 극대화하기 위해 VBF Higgs 탐색에서 최적화된 $p_T$ 절단을 제안하기 위해.

제안 방법

• 차원-6 연산자를 기술하기 위해 강력하게 상호작용하는 가벼운 힉스(SILH) 기반을 사용하며, 주로 $\mathcal{O}_{HW}$ 와 $\mathcal{O}_{HB}$ 에 초점을 맞춘다.
• Higgs 보손 결합 정점에 대한 $\mathcal{O}_{HW}$ 유도 수정을 $\sim (p_1^\mu p_2^\nu + \cdots) \cdot \frac{g^2 v c_{HW}}{2\Lambda^2}$ 로 모델링하여 운동량 의존성을 도입한다.
• 고에너지에서의 $\mathcal{O}_{HW}$ 의 $p_T$ 증폭 신호를 활용하기 위해 재구성된 이중광자 시스템에 $p_T$ 절단을 적용하여 $\mathcal{O}_{HW}$ 감지 민감도를 향상시킨다.
• 300 fb$^{-1}$ 와 3 ab$^{-1}$ 의 루미너스티를 갖는 $\sqrt{s} = 14$ TeV 에서 이벤트 수준 시뮬레이션을 수행하여 제약를 예측한다.
• 예측된 제약를 WW 완전 레프톤 최종 상태의 결과와 비교하며, $p_T$ 절단 요구 조건과 단위성 위반 위험을 평가한다.
• 적절한 $p_T$ 척도에서 단위성 위반 없음을 보장하기 위해 $\sigma_{\text{tot}} \cdot m_{qq}^2 / (2\pi)$ 분포를 점검함으로써 EFT의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블루스트 VBF Higgs 보손의 $p_T$ 분포를 사용하면, 신호 강도 측정에 비해 차원-6 연산자에 대한 제약를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 VBF Higgs에서 이중광자 붕괴에 대한 $p_T$ 의존성 절단이, WW 완전 레프톤 최종 상태의 경우에 비해 민감도와 $p_T$ 절단 요구 조건 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $\mathcal{O}_{HW}$ 연산자가 고 $p_T$ 에서 VBF Higgs 생성을 얼마나 강화하는가? 그리고 이는 더 나은 제약를 얻기 위해 활용될 수 있는가?
• RQ4 특히 고 $p_T$ 에서의 단위성 위반 위험을 감안할 때, VBF Higgs에서의 EFT 기반 제약는 강건한가?
• RQ5 특히 $P_{LR}$ 대칭 하에서, VBF Higgs는 $\mathcal{O}_{HW} + \mathcal{O}_{HB}$ 방향에 대해 WW 생성과 경쟁적이고 보완적인 탐색 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 14 테바론에서 300 fb$^{-1}$ 의 데이터로 VBF Higgs에서 이중광자 붕괴에 대해 $p_T > 140$ GeV 절단을 적용할 경우, 95% 신뢰수준에서 $\Lambda$ 의 제약가 705 GeV 으로 향상된다.
• 통합 루미너스티 3 ab$^{-1}$ 에서는 $p_T > 330$ GeV 절단이 $c_{HW} = 1$ 인 경우 95% 신뢰수준에서 $\Lambda > 1200$ GeV 의 제약를 제공한다.
• VBF Higgs에서 경쟁 가능한 제약를 확보하기 위해 필요한 $p_T$ 절단은 WW 생성에서 요구되는 것보다 훨씬 낮다. 동일한 $\Lambda$ 제약를 확보하기 위해 WW 생성에서는 $p_T > 670$ GeV 가 필요하다.
• $\mathcal{O}_{HW}$ 가 유도하는 $p_T$ 의존성 증폭은 고 $p_T$ 에서 상대적 신호 증가율 30% 를 유도하여 새로운 물리 탐색에 강력한 수단이 된다.
• 이 방법은 더 낮은 $p_T$ 절단을 요구함으로써 고 $p_T$ 에서의 단위성 위반 위험을 피할 수 있으며, 이는 WW 생성과는 달리 중요성이 떨어지지 않는다.
• VBF Higgs에서 $p_T$ 절단을 적용한 분석은 $\mathcal{O}_{HW} + \mathcal{O}_{HB}$ 방향에 대해 모델 독립적인 강건한 탐색 수단을 제공하며, 이는 다른 채널이 잘 제약하지 못하는 영역이다.