[论文解读] Directly Probing the CP-structure of the Higgs-Top Yukawa at HL-LHC and Future Colliders

Rahool Kumar Barman, Morgan E. Cassidy+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了在HL-LHC、100 TeV FCC及未来μ子对撞机上，通过顶夸克对产生伴随Higgs玻色子的过程，直接探测Higgs-顶夸克Yukawa相互作用中的CP结构。通过CP奇和CP偶可观测量的多变量分析，表明未来对撞机可实现对CP破坏相位α的亚度级灵敏度，100 TeV FCC和30 TeV μ子对撞机的约束为|α| ≲ 3°。

ABSTRACT

Constraining the Higgs boson properties is a cornerstone of the LHC program and future colliders. In this Snowmass contribution, we study the potential to directly probe the Higgs-top CP-structure via the $t\\bar{t}h$ production at the HL-LHC, 100 TeV FCC and muon colliders. We find the limits on the CP phase ($\\alpha$) at 95% CL are $|\\alpha| \\lesssim 36^\\circ$ with dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $ and $|\\alpha| \\lesssim 25^\\circ$ with combined $t\\bar t (h\ o \\gamma\\gamma) $ at the HL-LHC. The 100 TeV FCC brings a significant improvement in sensitivity with $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for the dileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) $, due to the remarkable gain in the signal cross-section and the increased luminosity. At future muon colliders, we find that the bounds with semileptonic $t\\bar t (h\ o b\\bar b) \ u\\bar\ u$ are $|\\alpha| \\lesssim 9^\\circ$ for 10 TeV and $|\\alpha| \\lesssim 3^\\circ$ for 30 TeV, respectively.

研究动机与目标

• 评估未来对撞机对Higgs-顶夸克Yukawa耦合中CP奇相位α的敏感度。
• 评估不同末态——双轻子、半轻子和强子末态——在约束CP结构方面的表现。
• 通过Fisher信息和完整对撞机模拟，比较HL-LHC、100 TeV FCC和μ子对撞机的敏感度。
• 量化多变量分析和运动学重建对CP相位敏感度的影响。
• 在不同对撞机方案和末态下，预测95%置信水平对CP破坏相位α的约束。

提出的方法

• 采用包含CP破坏相位α的有效拉格朗日量形式描述Higgs-顶夸克Yukawa相互作用：𝒟ℒ ⊃ −(m_t/v)κ_t ̄t(cosα + iγ₅sinα)t h。
• 应用Fisher信息量化CP奇和CP偶运动学可观测量（如Δϕᵢₖᵗᵗ̄和θ*）的信息含量。
• 对μ子对撞机方案执行包含探测器效应和喷流能量模糊的信号与背景全Monte Carlo模拟。
• 实施多变量分析技术，整合多个可观测量，以最大化对α的敏感度。
• 利用截面随质心系能量变化对α的依赖关系，推断不同对撞机能量下的敏感度。
• 应用动量截断以抑制背景，包括p_T^μ > 10 GeV截断，以避免VBF过程中的奇点。

实验结果

研究问题

• RQ1 HL-LHC在使用t̄th末态时，对Higgs-顶夸克Yukawa耦合CP结构的敏感度如何？
• RQ2 与HL-LHC相比，100 TeV FCC的敏感度提升多少？
• RQ3 在10 TeV和30 TeV质心系能量的未来μ子对撞机上，对CP破坏相位α可施加何种约束？
• RQ4 不同末态——双轻子、半轻子、强子末态——对CP相位敏感度的贡献如何？
• RQ5 与单变量可观测量相比，多变量分析在提升对CP奇相位敏感度方面有多大增强作用？

主要发现

• 在HL-LHC上，双轻子t̄th（h→bb̄）末态的95%置信水平约束为|α| ≲ 36°。
• 对于HL-LHC的联合t̄th（h→γγ）通道，95%置信水平约束改善至|α| ≲ 25°。
• 100 TeV FCC由于亮度和信号截面增加，对双轻子t̄th（h→bb̄）末态的敏感度达到|α| ≲ 3°。
• 在10 TeV μ子对撞机上，半轻子t̄th（h→bb̄)νν̄末态在10 ab⁻¹积分亮度下，约束为|α| ≲ 9°。
• 在30 TeV μ子对撞机上，相同亮度下约束收紧至|α| ≲ 3°，表明灵敏度显著提升。
• t̄thνν̄和tbhμν过程的信号截面与t̄th过程对α的依赖关系相反，从而提供互补的敏感度。