[論文レビュー] Anomalous gauge boson couplings, 125 GeV Higgs and singlet scalar dark matter

Namit Mahajan|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、標準模型の最小限の拡張として、実スカラー・シングレット場を導入し、ダークマター候補として機能すると同時に、ループ効果によって異常なゲージボソンカップリングを生成するモデルを提案する。これらの異常カップリングは、Higgs粒子の二光子崩壊断面積を約20%増加させ、ATLASおよびCMSが観測した125 GeVのHiggsに類似した共鳴状態と整合的であり、新しい電荷を帯びた粒子を必要とせず、真空安定性の制約に違反しない。

ABSTRACT

The recently observed Higgs like resonance at 125 GeV shows an enhanced rate in the diphoton channel, while being roughly consistent with the standard model expectation for the $WW^*$ and $ZZ^*$ channels. Such an enhancement is possible due to anomalous gauge boson couplings. We explore this feature within a minimal extension of the standard model, where a singlet scalar is introduced which also plays the role of the dark matter candidate. It is argued that such a minimal scenario, without new charged particles, can in principle lead to the desired enhancement of the diphoton rate via the induced anomalous gauge couplings, and at the same time improve the stability of the electroweak vacuum.

研究の動機と目的

• 標準模型の予測を約20%上回る、観測されたHiggs粒子の二光子崩壊断面積の1.5–2倍の増幅を説明すること。
• 実スカラー・シングレット場（ダークマター候補として機能）がループ補正を通じて異常なゲージボソンカップリングを生成できるかどうかを検討すること。
• このようなモデルが同時に電弱真空の安定性を保ち、実験的制約と整合的であるかどうかを評価すること。
• 同じスカラー系がダークマターを担う一方で、標準模型を超える新しい電荷を帯びた粒子を導入せず、観測された二光子断面積の異常を間接的に説明できるかどうかを調査すること。

提案手法

• 安定性とダークマター候補としての妥当性を保証するため、Z₂対称性を導入した実スカラー・シングレット場を導入する。
• シングレットスカラー、ヒッグスダブルレット、およびそれらの相互作用（三重項カップリングρと自己相互作用η）を含む、標準模型の最小限の拡張のラグランジュアンを構築する。
• 電弱対称性の破れ後にユニタリゲージを用い、特に誘導された異常なW+W−γおよびW+W−Z頂点を計算する。
• シングレットがヒッグスより重いと仮定し、シングレットスカラーとヒッグス粒子を含む一次ループ図を通じて、異常カップリング（κγ − 1、λγ）の大きさを推定する。
• 摂動的推定を用いて、既存のLEP制約に違反しない範囲で、約数×10⁻³オーダーの異常カップリングが可能であることを示す。
• 有効場理論的手法を用いて、異常カップリングが主な過程に与える影響を評価する：H → γγ、H → Zγ、μ → eγ、およびb → sγ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の最小限の拡張における実スカラー・シングレット場が、H → γγ崩壊断面積を約20%増加させるのに十分な異常なW+W−γカップリングを生成できるか？
• RQ2 安定なダークマター候補を提供する同じスカラー系が、電弱真空の安定性を向上させるか？
• RQ3 誘導された異常カップリングは、既存のLEP制約（W+W−γおよびW+W−Z頂点）と整合的か？
• RQ4 モデルが同時に二光子断面積の異常増加を説明し、b → sγ や μ → eγ といったレア過程への寄与を抑制できるか？
• RQ5 このモデルがミュオンの異常磁気モーメントに与える影響は何か？ そして、実験と理論の間の不一致を軽減できるか？

主な発見

• ループ効果を通じて、シングレットスカラーが関与する異常カップリングは約数×10⁻³オーダーに達し、H → γγ断面積の約20%増加を誘導するのに十分である。
• トップクォークのループによるヒッグス四次結合定数の負の走破を相殺することで、モデルは自然に電弱真空の安定性を確保する。
• 導入されたZ₂対称性のおかげで、シングレットスカラーは物理的ヒッグス粒子との樹形階混合がなく、ダークマター候補として妥当である。
• 異常カップリングによるミュオンの異常磁気モーメントへの寄与は非自明であり、カップリングの符号に依存するため、既存の不一致を解消する可能性を秘めている。
• モデルはb → sγへの危険な寄与を抑制し、実験的制約と整合的である。
• ダークマターと真空安定性を実現する同じスカラー系が、標準模型を超える新しい電荷を帯びた粒子を必要とせず、二光子断面積の異常増加を説明できる。