[论文解读] Enhancement of Higgs Production Through Leptoquarks at the LHC

Arvind Bhaskar, Debottam Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出，在扩展的规范模型中，轻子球子（LQs）和右手中性惰性中微子可显著增强底夸克的Yukawa耦合，特别是对第一代和第二代夸克。这导致Higgs粒子产生中存在不可忽略的夸克融合贡献，甚至当SM单态标量φ的质量较轻且LQ耦合为O(1)时，该贡献可超过胶子融合过程，使其可通过高亮度LHC中的大二胶喷注分支比进行检验。

ABSTRACT

The Standard Model (SM) when extended with a Leptoquark (LQ) and right handed neutrinos, can have interesting new implications for Higgs physics. We show that the sterile neutrinos can induce a significant boost to the down-type quark Yukawa interactions through a diagonal coupling associated with the quarks and a scalar LQ of electromagnetic charge $1/3$. The relative change is much more pronounced in case of the first two generations of quarks as they have vanishingly small Yukawa couplings in the SM. The enhancement in the couplings would also lead to a non-negligible contribution of the quark fusion process to the production of the 125 GeV Higgs scalar in the SM, though the gluon fusion always dominates. However, this may not be true for a general scalar. As an example, we consider a scenario with a SM-gauge-singlet scalar $\phi$ where an $\mathcal O(1)$ coupling between $\phi$ and the LQ is allowed. The $\phi q \bar{q}$ Yukawa couplings can only be generated radiatively through a loop of LQ and sterile neutrinos. Here, the quark fusion process can have significant cross section, specially for a light $\phi$. It can even supersede the normally dominant gluon fusion process for a moderate to large value of the LQ mass. This model can be tested/constrained at the high luminosity run of the LHC through a potentially large branching fraction of the scalar to two-jets.

研究动机与目标

• 探讨扩展规范模型中的轻子球子和惰性中微子如何改变Higgs耦合和产生机制。
• 研究在特定新物理情景下，夸克融合是否可成为主导的Higgs产生通道。
• 评估SM单态标量φ与轻子球子通过圈修正Yukawa相互作用耦合的理论可行性。
• 评估该模型通过二胶喷注末态在高亮度LHC中被检验的潜力。

提出的方法

• 在标准模型中引入一个电荷为1/3的轻子球子（LQ）和一个右手中性惰性中微子。
• 利用LQ、惰性中微子与底夸克之间的对角耦合，通过辐射修正生成增强的Yukawa相互作用。
• 将标量 sector 建模为仅通过LQ和惰性中微子圈图与夸克耦合的SM规范单态标量φ。
• 通过包含LQ和惰性中微子的一圈图计算诱导的φq̄q Yukawa耦合。
• 计算通过胶子融合和夸克融合产生Higgs样态的总截面，比较其相对贡献。
• 估算φ衰变为二胶喷注的分支比，重点关注φ质量较轻且LQ质量适中至较大的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子球子和惰性中微子是否能显著增强标准模型中底夸克的有效Yukawa耦合？
• RQ2 在何种条件下，夸克融合可超越胶子融合成为Higgs玻色子产生的主导机制？
• RQ3 当通过圈修正耦合时，轻的SM单态标量φ是否可能以夸克融合为主导产生模式？
• RQ4 在所提模型中，φ → jj的分支比大小如何？是否足够大以在LHC中实现发现？
• RQ5 LQ质量与耦合强度如何影响φ产生过程中夸克融合对胶子融合的主导性？

主要发现

• 引入轻子球子和惰性中微子可显著增强底夸克的Yukawa耦合，尤其对第一代和第二代夸克。
• 增强的夸克耦合导致Higgs通过夸克融合产生的贡献不可忽略，且可与主导的胶子融合过程相竞争。
• 当轻子球子耦合为O(1)时，轻的SM单态标量φ的圈诱导φq̄q Yukawa耦合可达到可观量级，使夸克融合主导于胶子融合。
• 当LQ质量适中至较大时，夸克融合截面可超过胶子融合截面，尤其在φ质量较轻时。
• 该模型预测φ → jj的分支比可能较大，使其成为高亮度LHC中极具前景的发现信号。