[论文解读] On the impact of the Higgs boson on the production of exotic particles at the LHC

A. G. Hessler, Alejandro Ibarra+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上通过希格斯玻色子介导的奇异标量和费米子的产生，聚焦于仅存在一个新标量或费米子且与希格斯玻色子耦合的简化模型。研究发现，对于质量 ≤120 GeV 的奇异费米子，希格斯介导的胶子-胶子融合过程可主导于Drell-Yan产生机制；在100 TeV对撞机上，对于重费米子和标量，该过程在高亮度条件下成为主导通道。

ABSTRACT

Many new physics models contain new particles that interact with the Higgs boson. These particles could be produced at the LHC via gluon-gluon fusion with an off-shell Higgs, as well as via the Drell-Yan process if charged under a gauge group. We consider in this paper simplified scenarios where the Standard Model is extended by one scalar or fermionic field that interacts with the Higgs boson and we evaluate the impact of the Higgs interaction on the production of the exotic particles at the LHC. This analysis applies in particular to TeV scale seesaw scenarios of neutrino mass generation.

研究动机与目标

• 评估希格斯玻色子交换对LHC上奇异粒子产生截面的影响。
• 比较新物理态的希格斯介导胶子-胶子融合与标准Drell-Yan和QCD产生机制。
• 评估希格斯介导过程在TeV尺度 seesaw 模型中生成中微子质量的关联性。
• 预测未来100 TeV质子-质子对撞机上奇异粒子发现的前景。
• 量化不同质心系能量下，希格斯介导与电弱产生通道的相对重要性。

提出的方法

• 使用有效拉格朗日量建模通过顶夸克圈的希格斯与胶子的耦合，有效耦合为 $ G_H = \frac{\alpha_S}{2\pi} \left| F_H\left(\frac{4m_t^2}{P^2}\right) \right| $。
• 应用三角形形式因子 $ F_H(\tau) $ 计算非本征态希格斯对胶子-胶子融合的贡献，其中 $ \tau = \frac{4m_t^2}{P^2} $。
• 在 $ \sqrt{s} = 8 $ 和 $ 14 $ TeV 下，评估通过希格斯介导的ggF和Drell-Yan过程产生奇异标量和费米子的截面。
• 将分析扩展至假设的100 TeV对撞机，利用部分子亮度缩放估算截面增长。
• 比较不同质量范围和耦合下，希格斯介导与Drell-Yan通道的相对贡献。
• 考虑最小模型：一个复标量多重态或一个具有标准模型规范量子数的外尔费米子（如I型和III型seesaw）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，与Drell-Yan产生相比，希格斯介导的胶子-胶子融合对奇异费米子的贡献有多大？
• RQ2 在何种条件下，希格斯介导的产生会主导于电弱或QCD诱导的过程？
• RQ3 在未来的100 TeV质子-质子对撞机上，奇异标量和费米子的预期产生率是多少？
• RQ4 部分子亮度和质心系能量如何影响希格斯介导与Drell-Yan通道的主导性？
• RQ5 在TeV尺度seesaw模型中，希格斯交换在中微子质量生成中起什么作用？

主要发现

• 对于质量 ≤120 GeV 的奇异费米子，在最小seesaw模型中，希格斯介导的胶子-胶子融合主导于Drell-Yan产生。
• 在 $ \sqrt{s} = 14 $ TeV 时，当四次耦合 $ \gtrsim \mathcal{O}(1) $，希格斯介导对奇异标量产生的贡献显著，与QCD和电弱修正量级相当。
• 在 $ \sqrt{s} = 100 $ TeV 时，胶子-胶子融合截面相比14 TeV增加两个数量级，使该过程对质量高达260 GeV的标量成为主导。
• 对于具有 $ L = 10 $ ab⁻¹ 的100 TeV对撞机，在100至700 GeV质量范围内，至少可产生 $ 10^7 $ 到 $ 10^4 $ 对单电荷标量。
• 在 $ \sqrt{s} = 100 $ TeV 时，对于质量 $ M_k \gtrsim 300 $ GeV 的奇异费米子，胶子-胶子融合机制完全占主导，其截面比Drell-Yan高出一个数量级。
• 希格斯门户相互作用对奇异粒子总产生截面有不可忽略的贡献，尤其在高能对撞机中。