[論文レビュー] Higgs at ILC in Universal Extra Dimensions in Light of Recent LHC Data

Takuya Kakuda, Kenji Nishiwaki+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での観測されたヒッグス信号増幅、特に二光子崩壊チャンネルの過剰に、ユニバーサルエクストラ次元（UED）モデルがどのように説明できるかを調査している。カーラッツ＝クライン（KK）粒子のループ補正により、グルーオン融合によるヒッグス生成断面積が最大50%増加する一方、二光子ブランチ比は最大80%抑制される。このシグネチャは、高出力運転を行う国際線形衝突型加速器（ILC）で検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

We present bounds on all the known universal extra dimension models from the latest Higgs search data at the Large Hadron Collider, taking into account the Kaluza-Klein (KK) loop effects on the dominant gluon-fusion production and on the diphoton/digluon decay. The lower bound on the KK scale is from 500GeV to 1TeV depending on the model. We find that the Higgs production cross section with subsequent diphoton decay can be enhanced by a factor 1.5 within this experimental bound, with little dependence on the Higgs mass in between 115GeV and 130GeV. We also show that in such a case the Higgs decay branching ratio into a diphoton final state can be suppressed by a factor 80%, which is marginally observable at a high energy/luminosity option at the International Linear Collider. The Higgs production cross section at a photon-photon collider can also be suppressed by a similar factor 90%, being well within the expected experimental reach.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での観測されたヒッグス信号増幅、特に二光子崩壊チャンネルの過剰を説明できるユニバーサルエクストラ次元（UED）モデルの妥当性を評価すること。
• 最新のLHCヒッグス探索データ（ATLASおよびCMSによる$H \to \gamma\gamma$、$H \to WW$、$H \to gg$の結果を含む）から、カーラッツ＝クライン（KK）スケールにかかる制約を特定すること。
• 国際線形衝突型加速器（ILC）におけるUEDが引き起こすヒッグスカップリングの変更を、特に$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$および$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$の精密測定を通じて検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 有効場理論と参考文献[3,4]のループ積分を用い、ヒッグスカップリング$Hgg$および$H\gamma\gamma$に対するカーラッツ＝クライン（KK）トップクォークおよびゲージボソンのループ補正を適用する。
• K要因とQCD補正を用いて、グルーオン融合による修正ヒッグス生成断面積$\sigma_{gg \to H}^{\text{UED}}$を計算し、$J_t^{\text{SM}}$および$J_t^{\text{KK}}$を主要なループ関数とする。
• SMおよびKKループの寄与（$W$およびトップクォークの寄与に$4/3$の係数を含む）を用いて、二光子崩壊幅$\Gamma_{H \to \gamma\gamma}^{\text{UED}}$を評価する。
• ATLASおよびCMSによる$H \to \gamma\gamma$、$H \to WW$、$H \to gg$に対する95%信頼区間の境界を適用し、KKスケールを制約する。$WW$チャンネルが最も厳しい下限を与える。
• ILCおよび光子-光子衝突型加速器の感度を予測するため、SM予測に対する$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$および$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$の抑制係数を比較する。
• ベンチマークヒッグス質量$M_H = 125\,\text{GeV}$を用い、mUED、T2Z4などさまざまなUEDモデルにおける$M_{\text{KK}}$依存性を、断面積およびブランチ比について分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UEDモデルは、LHCで観測された1.5–2倍のヒッグス生成断面積および二光子崩壊率の増幅を説明できるか？
• RQ2 LHCヒッグスデータ、特に$H \to \gamma\gamma$および$H \to WW$チャンネルからの観点から、UEDモデルにおけるKKスケールに関する現在の実験的制約は何か？
• RQ3 UEDモデルでは、SMと比較して二光子ブランチ比および$H\gamma\gamma$カップリングはどの程度抑制されるか？また、この抑制は将来の衝突型加速器で測定可能か？
• RQ4 ILCまたは光子-光子衝突型加速器は、既存または予想される出力条件下で、UEDが引き起こす$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$および$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$の抑制を検出可能か？
• RQ5 KKループ補正は、UEDモデルにおける$Hgg$と$H\gamma\gamma$カップリングの間の相互作用にどのように影響するか？また、観測可能なシグネチャを支配するのはどの過程か？

主な発見

• UEDモデルでは、KKトップクォークのループ寄与により、グルーオン融合によるヒッグス生成断面積が最大1.5倍に増幅され、LHCで観測された過剰と整合的である。
• 許容されるパrameter空間内では、二光子ブランチ比$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$が最大80%抑制される。これは、$H \to gg$による全崩壊幅の増大に起因する。
• $M_H = 120\,\text{GeV}$における予想される23%の精度を考慮すると、$\sqrt{s} = 500\,\text{GeV}$、$500\,\text{fb}^{-1}$の出力を持つILCで、$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$の抑制要因0.8はわずかに検出可能である。
• 光子-光子衝突型加速器におけるヒッグス生成断面積$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$は、UEDモデルで0.9倍に抑制される。これは、$210\,\text{GeV}$の$e^+e^-$衝突型加速器に$410\,\text{fb}^{-1}$の出力を持つ場合、十分に検出可能である。
• KKスケールの下限は、モデルに応じて$M_{\text{KK}} \gtrsim 500\,\text{GeV}$から$1\,\text{TeV}$までであり、主にCMSの$H \to WW \to l\nu l\nu$チャンネルから得られる。
• $Hgg$生成の増幅が$H\gamma\gamma$崩壊の抑制を上回り、許容領域では二光子信号率が最大50%増加する。これはLHCデータと整合的である。