[논문 리뷰] Exploring the dark side of the top Yukawa

Sonia El Hedri, Patrick J. Fox외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 힉스 데이터와 일치하는 표준모형 내에서 음수인 상위 쿠퍼 쿠퍼 결합의 가능성을 탐구하며, 차원 6 유효 연산자를 통해 큰 양자 보정을 유도하는 테바 스케일의 새로운 물리학을 제안한다. 최소한의 모델들—예를 들어 벡터-유사한 상위 파art너와 확장된 힉스 섹터—는 현재의 입자 충돌 실험 제약 조건을 충족하면서도 음수인 쿠퍼 결합을 생성할 수 있지만, 큰 결합 상수와 랑드-폴 문제로 인해 강한 제약을 받는다.

ABSTRACT

We investigate simple extensions of the Standard Model that could lead to the negative values of the top Yukawa coupling still allowed by the ATLAS Higgs results. Integrating out tree-level new physics generates dimension six operators that can lead to large changes to the top Yukawa couplings. If the top Yukawa coupling is negative, there is new physics beneath the TeV scale. We illustrate the simplest models still allowed by current searches.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 힉스 데이터에서 제안된 음수인 상위 쿠퍼 결합의 이론적 타당성을 탐구하되, CMS 결과와의 불일치에도 불구하고.
• 차원 6 유효 연산자를 통해 큰 음수 보정을 유도할 수 있는 최소한의 새로운 물리학 모델을 규명하기.
• 특히 랑드-폴 문제를 고려할 때, 큰 결합 상수를 가진 모델에서의 입자 충돌 탐색 및 양자역학적 달라짐 방정정식(RGE)의 제약 조건을 평가하기.
• 이러한 음수 쿠퍼 결합 시나리오가 실험적 제약 조건을 충족하면서도 테바 스케일에서 자연스럽게 유지될 수 있는지 확인하기.

제안 방법

• 나무 단계에서 상위 쿠퍼 결합을 수정하는 형태의 유효 연산자 $ \mathcal{L}^{(1)}_{\text{eff}} = \frac{Y^3}{\Lambda^2} (H^\dagger H - \frac{v^2}{2})(H\bar{q}_3 u_3^c + \text{h.c.}) $ 를 구성한다.
• 이 유효 연산자의 세 가지 실현 가능성을 분석한다: 벡터-유사한 상위 파art너, 페르미온-스칼라 상위 파art너, 그리고 전하를 가진 스칼라들로, 각각 루프 다이어그램을 통해 유효 상호작용을 생성한다.
• 양자역학적 달라짐 방정정식(RGEs)을 적용하여 쿠퍼 결합의 러닝을 추적하며, 10 테바 이하에서 랑드-폴이 나타나는 조건을 규명한다.
• RGEs를 사용하여 初기 쿠퍼 결합 상수에 대한 제약 조건을 유도하며, 큰 상수는 정밀 조정이 없이선 조기에 랑드-폴이 나타나게 됨을 보여준다.
• 두 개의 힉스 두중력과 더 높은 SU(2) 표현을 포함한 모델을 고려하여, 충분히 음수인 쿠퍼 결합을 생성할 수 있는지 탐색한다.
• 기존의 LHC 및 테바트론 탐색 결과를 바탕으로 이러한 모델의 타당성을 평가하며, 상위 쿠퍼 결합이 음수인 영역의 매개변수 공간에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바 스케일의 새로운 물리학이 차원 6 연산자를 통해 큰 양자 보정을 유도함으로써 ATLAS 힉스 데이터와 일치하는 음수인 상위 쿠퍼 결합을 생성할 수 있는가?
• RQ2 차원 6 유효 연산자를 통해 큰 음수 보정을 유도할 수 있는 최소한의 새로운 물리학 모델은 무엇인가?
• RQ3 양자역학적 달라짐 방정정식(RGE)과 랑드-폴 제약 조건은 큰 쿠퍼 결합 상수를 가진 모델의 타당성을 어떻게 제한하는가?
• RQ4 두 개의 힉스 두중력 모델이나 더 높은 SU(2) 표현을 가진 모델은 ATLAS 데이터를 설명할 수 있을 정도로 충분히 음수인 상위 쿠퍼 결합을 생성할 수 있는가?
• RQ5 음수인 상위 쿠퍼 결합을 예측하는 모델의 입자 충돌 서명과 실험적 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 음수인 상위 쿠퍼 결합은 $ \Lambda \sim v $ 이고 $ Y \sim 1 $ 인 차원 6 유효 연산자를 통해 큰 양자 보정을 유도하는 테바 스케일의 새로운 물리학이 존재할 경우에만 가능하다.
• 벡터-유사한 상위 파art너나 페르미온-스칼라 쌍을 포함한 모델들은 필요한 유효 연산자를 생성할 수 있지만, 힉스와의 큰 결합 상수로 인해 강한 입자 충돌 제약 조건을 받는다.
• 쿠퍼 결합 상수가 $ y \lesssim 1.06 $ 이하로 유지되지 않는 한, 10 테바 이하에서 랑드-폴이 나타나며, 이는 모델 매개변수에 엄격한 제약을 가한다.
• 두 개의 힉스 두중력 모델과 더 높은 SU(2) 표현을 가진 모델은 음수인 쿠퍼 결합을 생성할 수 있지만, 후자만이 LHC에서 탐지 가능한 가벼운 새로운 상태를 수용할 수 있다.
• 복소수 삼중항 힉스 표현을 포함한 모델은 음수인 상위 쿠퍼 결합을 가능하게 하며, 여러 개의 가벼운 상태를 포함하고 있어 향후 LHC 탐색에 유망한 후보가 된다.
• 이러한 모델들은 힉스와 상위 쿼크와의 큰 결합 상수로 인해 기존의 LHC 및 테바트론 탐색 결과, 특히 상위 쿼크 및 힉스 부문에서 매우 강한 제약을 받는다.