[论文解读] 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 5

一句话总结

本文研究了通用额外维度（UED）模型如何解释大型强子对撞机（LHC）观测到的希格斯信号增强，特别是双光子衰变通道的过剩。结果表明，Kaluza-Klein（KK）圈修正可使胶子融合过程中的希格斯粒子产生截面增强高达50%，同时将双光子分支比抑制高达80%，这一特征可能在高亮度运行的国际线性对撞机（ILC）上被探测到。

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.

研究动机与目标

• 评估通用额外维度（UED）模型在解释大型强子对撞机（LHC）观测到的希格斯信号增强（特别是双光子衰变通道过剩）方面的可行性。
• 根据最新的LHC希格斯搜索数据（包括ATLAS和CMS对$H \to \gamma\gamma$、$H \to WW$和$H \to gg$的结果），确定对Kaluza-Klein（KK）尺度的约束。
• 评估在国际线性对撞机（ILC）上探测UED引起的希格斯耦合修改的潜力，特别是通过精确测量$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$和$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$。

提出的方法

• 利用有效场论和参考文献[3,4]中的圈积分，对希格斯耦合$Hgg$和$H\gamma\gamma$应用来自Kaluza-Klein（KK）顶夸克和规范玻色子的圈修正。
• 使用K因子和QCD修正计算胶子融合过程中的修正希格斯产生截面$\sigma_{gg \to H}^{\text{UED}}$，其中$J_t^{\text{SM}}$和$J_t^{\text{KK}}$为关键圈函数。
• 通过SM和KK圈的贡献（包括$W$和顶夸克圈贡献，顶夸克贡献乘以$4/3$因子）计算双光子衰变宽度$\Gamma_{H \to \gamma\gamma}^{\text{UED}}$。
• 应用ATLAS和CMS对$H \to \gamma\gamma$、$H \to WW$和$H \to gg$的95%置信水平（CL）约束，以限制KK尺度，其中$WW$通道提供了最严格的下限。
• 通过比较$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$和$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$相对于SM预测的抑制因子，预测在ILC和光子-光子对撞机上的探测灵敏度。
• 使用基准希格斯质量$M_H = 125\,\text{GeV}$，并分析不同UED模型（如mUED、T2Z4等）中截面和分支比对$M_{\text{KK}}$的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 UED模型能否解释LHC观测到的希格斯产生截面和双光子衰变率1.5–2倍的增强？
• RQ2 从LHC希格斯数据（特别是$H \to \gamma\gamma$和$H \to WW$通道）出发，当前对UED模型中KK尺度的实验约束是什么？
• RQ3 与标准模型相比，UED模型中双光子分支比和$H\gamma\gamma$耦合的抑制程度如何？这种抑制是否可在未来对撞机上被探测到？
• RQ4 ILC或光子-光子对撞机能否在现有或预期的亮度下探测到UED引起的$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$和$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$的抑制？
• RQ5 KK圈修正如何影响UED模型中$Hgg$与$H\gamma\gamma$耦合之间的相互作用？哪种过程主导可观测信号？

主要发现

• 由于KK顶夸克圈修正，UED模型中胶子融合过程的希格斯产生截面最多增强1.5倍，与LHC观测到的过剩一致。
• 在允许的参数空间内，UED模型中双光子分支比$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$最多被抑制80%，这是由于$H \to gg$的总宽度增强所致。
• 在$\sqrt{s} = 500\,\text{GeV}$、亮度为$500\,\text{fb}^{-1}$的ILC上，$\text{BR}(H \to \gamma\gamma)$被抑制0.8倍的效应在预期23%精度（$M_H = 120\,\text{GeV}$）下可勉强探测。
• 在光子-光子对撞机上，希格斯产生截面$\sigma_{\gamma\gamma \to H}$在UED模型中被抑制0.9倍，这在$210\,\text{GeV}$的$e^+e^-$对撞机、亮度为$410\,\text{fb}^{-1}$的条件下完全在探测范围内。
• KK尺度的下限为$M_{\text{KK}} \gtrsim 500\,\text{GeV}$至$1\,\text{TeV}$，具体取决于UED模型，主要来自CMS的$H \to WW \to l\nu l\nu$通道。
• 在允许区域内，$Hgg$产生增强占主导地位，超过$H\gamma\gamma$衰变的抑制，导致双光子信号率最多净增加50%，与LHC数据一致。