[論文レビュー] Coleman-Weinberg Higgs

Dongjin Chway, Radovan Dermíšek+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、負の質量項を用いず、ヒッグス四次結合項の量子修正によって電弱対称性の spontaneously broken が駆動される、標準模型の新規拡張を提案する。ヒッグス四次結合項の量子修正によって、ヒッグス四次結合項が誘導される、ヒッグス粒子に電荷をもたないスカラーヒッグス粒子S（隠れたU(1)ゲージ対称性に従う）が、ヒッグス自己結合項に大きな寄与をもたらす。この結果、プランクスケールまで摂動的であり続けるコールメン・ワインバーグヒッグスが得られ、フェルミオンおよびゲージボソンへのカップリングは標準模型に類似している。ヒッグス自己結合項は、それぞれ最大80%および300%まで増幅される。

ABSTRACT

We discuss an extension of the standard model by fields not charged under standard model gauge symmetry in which the electroweak symmetry breaking is driven by the Higgs quartic coupling itself without the need for a negative mass term in the potential. This is achieved by a scalar field S with a large coupling to the Higgs field at the electroweak scale which is driven to very small values at high energies by the gauge coupling of a hidden symmetry under which S is charged. This model can remain perturbative all the way to the Planck scale. The Higgs boson is fully SM-like in its couplings to fermions and gauge bosons. However, the effective cubic and quartic self-couplings of the Higgs boson are significantly enhanced.

研究の動機と目的

• 電弱対称性の破れが、負の質量項を用いず、ヒッグス四次結合項の量子修正によって完全に駆動される、標準模型の実現可能な拡張を構築すること。
• 以前のコールメン・ワインバーグ型のシナリオで見られる摂動的でない性質を回避し、プランクスケールまで摂動的であることを保証すること。
• フェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグス粒子のカップリングを標準模型に類似させつつ、その自己相互作用を顕著に変更すること。
• 本モデルが、従来のシングレット拡張とは異なる、明確で検証可能なヒッグス自己結合項の特徴を示すことを同定すること。

提案手法

• 標準模型ゲージ対称性に従わないが、隠れたU(1)ゲージ対称性に従う実スカラーヒッグス粒子Sを導入し、電弱スケールにおけるヒッグス場との大きな結合定数g₄を設定する。
• 隠れたU(1)対称性のゲージ結合を用いて、高エネルギー領域におけるスカラーヒッグス粒子Sの真空期待値を小さく保ち、その量子修正を抑制する。
• 反微分方程式を用いた高エネルギーの有効ヒッグスポテンシャルを計算し、異常次元およびS粒子からのしきい値補正を含める。
• 有効ポテンシャルの2階および4階微分から、有効なヒッグスの三重および四重自己結合項を導出する。この際、運動量依存補正を考慮する。
• 1ループおよび2ループの反微分方程式を用いて、ヒッグス四次結合項および自己結合項の走る性質を計算し、隠れたゲージ結合g₄の完全な依存性を含める。
• 隠れたゲージ結合およびS粒子の数N_Sを調整することで、モデルがプランクスケールまで摂動的であることを示し、p = 0.35の明示的例を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱対称性の破れが、負の質量項を用いず、ヒッグス四次結合項の量子修正によって完全に駆動され、プランクスケールまで摂動的であることは可能か？
• RQ2 標準模型の対称性に従わないスカラーヒッグス粒子Sが、摂動的でない性質を損なわず、ヒッグス自己結合項に大きな寄与をもたらす方法は何か？
• RQ3 本モデルにおける有効な三重および四重ヒッグス自己結合項は、標準模型と比較してどの程度増幅されるか？
• RQ4 運動量依存補正および有効ポテンシャルの高次微分が、予測されるヒッグス自己結合項にどのように影響するか？
• RQ5 本モデルは、独自のヒッグス自己結合項構造およびLHCの素粒子物理学的現象から、従来のシングレットヒッグス拡張と区別可能か？

主な発見

• 有効な三重ヒッグス自己結合項は、隠れたゲージ結合g₄に依存して、標準模型予測値に対して最大80%まで増幅される。
• 有効な四重ヒッグス自己結合項は、標準模型予測値に対して最大300%まで増幅され、摂動的スケールが低い領域で最大の増幅が観測される。
• 一次近似において、有効結合項はλ³_CW = (5/3)λ²_CWおよびλ⁴_CW = (11/3)λ²_CWと表され、標準模型の関係λ³_SM = λ⁴_SMとは顕著に異なる。
• 隠れたゲージ結合を調整することで、p = N_S g₄² / (16π²) ≈ 0.35 となるように設定すると、モデルはプランクスケールまで摂動的である。
• ヒッグス粒子は、新しいスカラーヒッグス粒子Sが真空期待値をとらず、電弱対称性の破れに直接関与しないことから、フェルミオンおよびゲージボソンへのカップリングは完全に標準模型に類似している。
• 高次のループ補正および運動量依存効果により、一次近似値をわずかに上回る自己結合項の予測値が得られ、2ループ計算では中程度のμ依存性が観測される。