[论文解读] Probing Higgs-muon interactions at a multi-TeV muon collider

Eugenia Celada, Tao Han+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用 2

一句话总结

本文利用有效场论框架（SMEFT 和 HEFT）研究了多 TeV 级 muon 对撞机对 Higgs-muon 相互作用的敏感性，重点关注至多五粒子末态的直接产生过程。结果表明，10 TeV 的 muon 对撞机在探测 muon 和多 Higgs 耦合方面相较于高亮度 LHC 具有显著优势，尤其在纯多 Higgs 产生过程中，这些过程对 muon Yukawa 作用 sector 中的新物理极为敏感。

ABSTRACT

We study the capabilities of a muon collider, at 3 and 10 TeV center-of-mass energy, of probing the interactions of the Higgs boson with the muon. We consider all the possible processes involving the direct production of EW bosons ($W,Z$ and $H$) with up to five particles in the final state. We study these processes both in the HEFT and SMEFT frameworks, assuming that the dominant BSM effects originate from the muon Yukawa sector. Our study shows that a Muon Collider has sensitivity beyond the LHC, as it not only relies on the Higgs-decay branching fraction to muons. A 10 TeV muon collider provides a unique sensitivity on muon and (multi-) Higgs interactions, significantly better than the 3 TeV option. We find searches based purely on multi-Higgs production to be particularly effective in probing these couplings.

研究动机与目标

• 评估多 TeV 级 muon 对撞机探测超出高亮度 LHC 探测能力的 Higgs-muon 相互作用的潜力。
• 利用有效场论框架研究 muon 对撞机对 muon Yukawa 作用 sector 中新物理的敏感性。
• 通过多玻色子末态的直接产生，评估非标准 Higgs 及多 Higgs 耦合的发现潜力。
• 比较 3 TeV 和 10 TeV muon 对撞机选项在约束有效场论参数方面的性能。
• 识别探测 muon-Higgs 相互作用中最敏感的末态，特别是涉及多个 Higgs 玻色子的过程。

提出的方法

• 使用 SMEFT 和 HEFT 框架构建理论框架，描述源自 muon Yukawa 作用 sector 的新物理效应。
• 应用单位性约束和高能振幅计算，将有效场论情景的有效性限制扩展至六粒子末态。
• 在质心系能量为 3 和 10 TeV 的条件下，对多玻色子过程（H、W、Z、Higgs 和规范玻色子末态）进行详细的蒙特卡洛模拟。
• 通过轮廓似然比检验进行统计解释，推导出 EFT 参数在 95% 置信水平下的限制。
• 利用从 SMEFT-HEFT 匹配关系导出的接触相互作用项，推导高能截面近似。
• 分析不同末态（包括至多五体过程）中截面相对于 EFT 参数 αi 和 βk 的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型预测相比，10 TeV muon 对撞机对 Higgs-muon Yukawa 耦合偏离的敏感性如何？
• RQ2 哪些多玻色子末态对 muon Yukawa 作用 sector 中的新物理表现出最强的敏感性？
• RQ3 3 TeV 与 10 TeV muon 对撞机在探测 Higgs 和多 Higgs 相互作用方面的相对性能如何？
• RQ4 SMEFT 与 HEFT 框架在预测多 Higgs 和多规范玻色子过程截面方面有何差异？
• RQ5 仅通过多 Higgs 产生过程，能在多大程度上约束 Higgs-muon 相互作用 sector？

主要发现

• 10 TeV muon 对撞机在探测 muon 和多 Higgs 相互作用方面显著优于 3 TeV 选项，尤其在探测 Higgs-muon Yukawa 耦合方面。
• 多 Higgs 产生过程（如 µ⁺µ⁻ → nH，n ≥ 2）被证明在约束 muon Yukawa 作用 sector 中的新物理方面极为有效。
• 研究表明，由于 muon 对撞机不依赖 Higgs 粒子衰变分支比至 muons，其对新物理的敏感性超越了高亮度 LHC。
• 对 EFT 参数 (α₁, α₂) 和 (α₂, α₃) 的约束在 10 TeV 时显著强于 3 TeV，前者可达到对新物理尺度超过 10 TeV 的敏感性。
• 理论单位性约束和高能振幅计算证实，高能区接触相互作用占主导，验证了有效场论近似的合理性。
• 包含多个 Higgs 玻色子的末态（如 HHHH、HHHHϕ⁰）对组合 (1 − α₁ + α₂ − α₃ + α₄ − α₅) 表现出强烈依赖，表明其对 EFT 中高维算符的敏感性。