[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了顶夸克和底夸克的异常Higgs Yukawa耦合是否能解释LHC运行2期中CMS观测到的t\bar{t}H产生率增强现象，其最佳拟合信号强度为SM预测值的1.5 ± 0.5倍。研究发现，底夸克Yukawa耦合减少10%–40%，同时顶夸克耦合偏离SM值0%–20%，可同时拟合CMS运行2期的数据与LHC运行1期的Higgs信号强度约束。

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.

研究动机与目标

• 评估异常Higgs Yukawa耦合是否能解释LHC运行2期观测到的t\bar{t}H产生率中3.3σ的过剩。
• 检验此类异常耦合与LHC运行1期关于Higgs信号强度在多种衰变模式下的全面数据的一致性。
• 在(c_t, c_b)平面上识别出同时满足CMS运行2期结果与运行1期约束的可行参数区域。
• 探讨此类偏离在Randall-Sundrum与复合Higgs等具有良好物理动机的BSM模型中的可行性。

提出的方法

• 将顶夸克与底夸克Yukawa耦合的偏离参数化为Y_t = c_t Y_t^{\text{SM}}与Y_b = c_b Y_b^{\text{SM}}，其中c_t, c_b = 1对应标准模型。
• 计算Higgs衰变的分支宽度，包括Γ_{H \to gg} ∝ c_t^2，Γ_{H \to bb} ∝ c_b^2，以及通过顶夸克圈图和光子贡献得到的Γ_{H \to \gamma\gamma}。
• 基于运行1期数据计算信号强度μ_X = σ_{\text{prod}} × BR(H → X) / σ_{\text{SM}} × BR_{\text{SM}}(H → X)，其中X = γγ, WW, ZZ, bb, ττ, ttH。
• 将CMS运行2期结果μ^{ttH} = 1.5 ± 0.5作为关键约束，扫描(c_t, c_b)参数空间。
• 应用运行1期的68%置信水平限制：0.96 ≤ μ^{γγ} ≤ 1.33，0.93 ≤ μ^{WW} ≤ 1.27，1.06 ≤ μ^{ZZ} ≤ 1.55，0.43 ≤ μ^{bb} ≤ 0.99，0.89 ≤ μ^{ττ} ≤ 1.35，以及1.0 ≤ μ^{ttH} ≤ 2.0。
• 识别出(c_t, c_b)平面上所有约束同时满足的允许区域，重点关注底夸克Yukawa耦合减小对WW/ZZ衰变率增强的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克与底夸克的异常Higgs Yukawa耦合是否能解释CMS在运行2期观测到的t\bar{t}H产生率中3.3σ的过剩？
• RQ2 顶夸克与底夸克Yukawa耦合的何种偏离范围能同时与CMS运行2期t\bar{t}H信号强度和LHC运行1期Higgs信号强度数据一致？
• RQ3 仅通过减小底夸克Yukawa耦合是否足以解释观测到的t\bar{t}H增强，同时与运行1期约束保持一致？
• RQ4 在存在异常耦合的情况下，各种Higgs衰变模式的分支宽度与信号强度如何依赖于c_t与c_b？
• RQ5 此类异常耦合对Randall-Sundrum或复合Higgs等模型有何影响，这些模型中Yukawa耦合偏离SM预测？

主要发现

• 底夸克Yukawa耦合减少10%–40%（即c_b ≈ 0.6至0.9）足以解释t\bar{t}H信号强度的增强，同时与运行1期数据保持一致。
• 最经济的解仅涉及底夸克Yukawa耦合的减小，顶夸克耦合（c_t）在其SM值的0%–20%范围内变化。
• 在(c_t, c_b)平面上的允许区域受CMS运行2期t\bar{t}H信号强度与运行1期信号强度限制的约束，论文图中灰色阴影区域满足所有约束。
• WW/ZZ衰变率的增强源于Γ_{H → bb}的减小，这增加了WW/ZZ模式的相对分支比。
• 即使存在异常耦合，该模型仍与γγ和ττ信号强度一致，因为这些模式对c_b的敏感度较低。
• 未来的高精度实验（如ILC）可实现约1%精度测量底夸克Yukawa耦合，从而对这一场景进行决定性检验。