[论文解读] Snowmass White Paper: Prospects of CP-violation measurements with the Higgs boson at future experiments

A. V. Gritsan, Bahl, H.+16 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本Snowmass白皮书评估了未来对撞机（包括光子、μ子、强子、电子-正电子及轻子-强子对撞机）中测量希格斯玻色子相互作用中CP破坏的前景。通过希格斯衰变和产生过程，预测了对CP奇耦合的探测灵敏度，表明未来实验可将CP破坏参数的探测水平与电偶极矩（EDM）约束相媲美——尤其当多个耦合非零时，由于相互抵消效应，EDM限制变得不那么严格。

ABSTRACT

The search for CP violation in interactions of the Higgs boson with either fermions or bosons provides attractive reference measurements in the Particle Physics Community Planning Exercise (a.k.a. "Snowmass"). Benchmark measurements of CP violation provide a limited and well-defined set of parameters that could be tested at the proton, electron-positron, photon, and muon colliders, and compared to those achieved through study of virtual effects in electric dipole moment measurements. We review the current status of these CP-sensitive studies and provide projections to future measurements.

研究动机与目标

• 评估未来对撞机对希格斯玻色子与费米子及规范玻色子之间CP破坏耦合的探测灵敏度。
• 将未来对撞机实验的预期探测范围与现有电偶极矩（EDM）测量的约束进行比较。
• 识别不同对撞机型别下CP奇耦合测量最有利的希格斯产生与衰变道。
• 量化多个非零CP奇耦合的影响，特别是由于EDM抵消效应导致的参数空间退化问题。

提出的方法

• 使用有效场论（EFT）通过威尔逊系数参数化CP奇希格斯耦合，将其与可观测的衰变和产生率关联。
• 应用$f_{CP}^{X}$形式化方法，表达希格斯衰变至$VV'$、$ff'$和$gg$末态中的CP破坏效应。
• 通过模拟$H\to\gamma\gamma$、$HZ\gamma$、$HZZ$、$HWW$、$Ht\bar{t}$和$H\to\tau^+\tau^-$过程的信号率与背景，预测未来对撞机的探测灵敏度。
• 通过使用强子和核矩阵元将EFT系数转化为EDM预测，将对撞机探测范围与EDM约束进行比较。
• 通过对未受约束的耦合线性组合进行边缘化，评估EDM约束下允许的参数空间。
• 采用Rfit方法改变核矩阵元，评估EDM对$Hgg$、$Huu$和$Hdd$耦合限制的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来光子、μ子和电子-正电子对撞机对规范玻色子与费米子之间CP奇希格斯耦合的探测灵敏度如何？
• RQ2 当多个CP奇耦合同时非零时，EDM约束与基于对撞机的灵敏度相比如何？
• RQ3 EDM贡献中的抵消效应在多大程度上允许CP奇耦合取较大值，尽管EDM界限非常严格？
• RQ4 核矩阵元的不确定性如何影响EDM约束对希格斯CP奇耦合的解释？
• RQ5 哪些希格斯产生与衰变道在未来的对撞机中对CP破坏探测最具灵敏度？

主要发现

• 未来对撞机对CP奇希格斯耦合的探测灵敏度可与当前EDM约束相媲美，尤其在$H\gamma\gamma$、$HZ\gamma$和$HZZ$耦合方面。
• 当仅一个CP奇耦合非零时，EDM约束通常比LHC限制强几个数量级，但$Hgg$、$Huu$和$Hdd$耦合除外。
• 对于多个非零耦合（如$f_{CP}^{H\gamma\gamma}$、$f_{CP}^{HZ\gamma}$和$f_{CP}^{HZZ}$），由于EDM贡献中的抵消效应，大量参数空间仍被允许。
• 中子和汞的EDM主导了对$Hgg$、$Huu$和$Hdd$耦合的约束，核矩阵元的不确定性导致使用中心值与极端值时，限制范围变化约$\sim10^3$倍。
• EDM约束对$f_{CP}^{H\gamma\gamma}$和$f_{CP}^{H\tau\tau}$的限制与14 TeV LHC的灵敏度相当，表明未来对撞机在这些道中可能超越LHC。
• 即使存在EDM抵消，对撞机测量仍能排除大量参数空间，特别是当结合多个衰变道与产生模式时。