[論文レビュー] Benchmarks for Higgs Effective Theory: Extended Higgs Sectors

Martin Gorbahn, José Miguel No+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、ヒッグス効果的場理論（HEFT）の有効性を、標準模型を超える新しい物理を探索する文脈で評価するために、スカラーダブル、ディラトン、2HDMsというベンチマークモデルを提案する。これらのUV完全モデルを次元6のEFTオペレーターにマッチングさせることで、高エネルギーLHCの運動量領域におけるEFTの破綻を定量化し、ヒッグス信号強度や電弱観測量からの制約が、ウィルスン係数間のモデル固有の相関に強く依存することを示している。

ABSTRACT

Precise measurements of SM particles properties at the LHC allows to look for heavy New Physics in the context of an Effective Field Theory (EFT). These searches, however, often rely on kinematic regions where the validity of the EFT may be compromised. In this paper we propose to address this issue by comparing with benchmark models. The connection between models and their manifestations as EFTs at low energies allows us to quantify the breakdown of the EFT, and describe ways to combine different sources of constraints beyond Higgs physics. To illustrate these techniques, in this paper we propose a set of benchmark models based on extensions of the Higgs sector, namely the inclusion of a singlet, a dilaton and generic 2HDMs. We obtain the matching between these models and the EFT involving the Higgs, electroweak bosons and fermions. We then describe current and future indirect and direct constraints, consider the effect of correlations among the coefficients within models, and discuss the validity of the EFT.

研究の動機と目的

• EFT制約の信頼性が、EFTが破綻する可能性がある高エネルギーLHC領域でどの程度影響を受けるかを明らかにすること。
• 拡張されたヒッグス系を有するUV完全モデルとEFT予測を体系的に比較するフレームワークを確立すること。
• EFTウィルスン係数間のモデル固有の相関が、LHCおよび電弱精度観測量からの間接的・直接的制約にどのように影響するかを定量化すること。
• 特に高エネルギー信号分布が支配的な領域において、重い新しい物理が存在する場合のEFTの有効性を評価すること。
• 将来的なLHC解析のためのベンチマークツールを提供すること。EFT係数を明確なフェノメノロジカルな特徴を持つ具体的なUVモデルに結びつける。

提案手法

• スカラーダブル、ラディオン／ディラトン、一般の2HDMsを含む、拡張されたヒッグス系の実装としてのUV完全モデルのセットを構築する。
• これらのUVモデルとヒッグス、ゲージボソン、フェルミオンを含む次元6のEFTラグランジアンとのマッチングを実施し、ウィルスン係数を導出する。
• マッチングの結果を用いて、$\tilde{\tau}_3$, $\tilde{\tau}_4$, $\tilde{\tau}_5$, $m_{H^\pm}$ などのモデルパラメータで表される異常なヒッグスカップリング（例：$g^{(1)}_{hWW}$, $g^{(3)}_{hWW}$）を計算する。
• 物理的質量および結合定数で表されたEFT係数 $\bar{c}_\gamma$, $\bar{c}_W$, $\bar{c}_B$, $\bar{c}_T$ の解析的表現を導出する。
• LHC信号強度、電弱精度観測量、および運動量分布からの現在および将来の制約を分析する。
• EFT予測と完全なUVモデルの結果を比較することで、EFTの有効性を評価する。特に、EFTが失敗する可能性がある高エネルギー領域に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元6のオペレーターに対するEFT制約は、EFTが破綻する可能性がある高エネルギーLHCの運動量領域でどの程度破綻するか？
• RQ2 ウィルスン係数間のモデル固有の相関は、EFTフレームワーク内でのLHCデータの解釈にどのように影響するか？
• RQ3 スカラーダブル、ディラトン、2HDMsのようなベンチマークモデルは、EFT予測の有効性を検証するための信頼できるUV完備化を提供できるか？
• RQ4 新しい物理の質量（例：$m_{H^\pm}$）がEFTにおける異常ヒッグスカップリングの大きさに及ぼす定量的影響は何か？
• RQ5 2HDMにおける $\tilde{\lambda}_4$ および $\tilde{\lambda}_5$ パラメータは、EFT予測の $g^{(3)}_{hWW}$ および $g^{(3)}_{hZZ}$ にどのように依存するか？

主な発見

• EFT係数 $\bar{c}_\gamma = \frac{m_W^2 \tilde{\lambda}_3}{256\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ は、三重ヒッグスカップリング $g_{hH^+H^-}$ に比例し、これにより帯電ヒッグス粒子の質量と $\tilde{\lambda}_3$ パrameterに直接的に関連づけられる。
• 係数 $\bar{c}_T = (\tilde{\lambda}_4^2 - \tilde{\lambda}_5^2) \frac{v^2}{192\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ は、$hWW$ および $hZZ$ のテンソル型カップリングを捉えており、四重カップリングの差に敏感であることが示される。
• 係数 $g^{(2,4-6)}_{hVV}$ は $\mathcal{O}[(1-x_0)^2, (1-x_A)^2]$ で抑制されており、これは $D=8$ オペレーターからのみ寄与しており、新しいスカラーが重い極限では無視可能であることを示している。
• $g^{(3)}_{hWW}$ および $g^{(3)}_{hZZ}$ カップリングは $\tilde{\lambda}_4 \pm \tilde{\lambda}_5$ に敏感であり、$g^{(3)}_{hWW} \sim \frac{g^2 v}{192\pi^2} \left[(1-x_0)(\tilde{\lambda}_4 + \tilde{\lambda}_5) + (1-x_A)(\tilde{\lambda}_4 - \tilde{\lambda}_5) \right]$ と表される。
• EFT係数 $\bar{c}_W - \bar{c}_B = -\frac{8}{3} \bar{c}_\gamma$ はマッチングから導出され、モデルを問わず普遍的な関係であることが示されている。
• 高エネルギー領域におけるEFTの破綻は、EFT予測と完全なUVモデルの結果を比較することで定量化され、新しい物理のスケールが測定エネルギースケールに対して十分に重くない場合には、EFTの制約が誤解を招く可能性があることが明らかになった。