[論文レビュー] Effective Theory of Higgs Sector Vacuum States

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、重い電弱ノードルやダブルレットを含む標準模型の拡張におけるヒッグス系の真空状態を体系的に記述するための有効場理論（EFT）フレームワークを開発する。重い質量スケールの累乗に基づいて演算子を整理する一方で、次元ではなく、ヒッグスカップリングへの主要オーダーの修正を特定する。シングレットモデルではすべてのSMに類似したヒッグス相互作用が希釈され、ダブルレットモデルではより豊かな位相依存のT破れおよびフレーバー破れ効果が可能になる。また、オンシェル散乱振幅に関してEFTと混合に基づく記述の整合性を保証する。

ABSTRACT

The effective field theory description for modifications of Standard Model-like Higgs boson interactions arising from tree-level mixing with heavy Higgs sector vacuum states without conserved quantum numbers is presented. An expansion in terms of effective operator dimension based on powers of the heavy mass scale rather than operator dimension is utilized to systematically organize interactions within the effective theory. Vacuum states arising from electroweak singlet extensions of the Higgs sector yield at leading order only two effective dimension-six operators. One of these uniformly dilutes all the interactions of a single physical Higgs boson as compared with Standard Model expectations, while the combination of the two operators give more general modifications of all remaining interactions with two or more physical Higgs bosons. Vacuum states arising from an additional electroweak doublet yield three types of effective dimension-six operators that modify physical Higgs boson couplings to fermion pairs, self-couplings, and introduce four-fermion interactions. However, in this case modification of physical Higgs boson interactions with massive gauge bosons arise at leading order only from three effective dimension-eight operators. If the underlying Yukawa couplings of the additional electroweak doublet satisfy the Glashow-Weinberg condition then time reversal violation at effective dimension-six depends on a single universal phase appearing only in couplings of physical Higgs bosons to fermion pairs. In all cases the couplings of any three physical states in the effective theory description must be equal to those in a unitary mixing description in order for the long distance non-analytic components of physical on-shell scattering amplitudes to agree, while in contrast couplings of four or more physical states in general differ due to short distance effects.

研究の動機と目的

• 重い真空状態を伴う拡張されたヒッグス系における標準模型ヒッグスカップリングからのずれを体系的に整理すること。
• 演算子の次元ではなく、重い質量スケールの累乗による展開を用いた有効場理論（EFT）フレームワークを構築すること。
• シングレットおよびダブルレット拡張におけるヒッグスカップリング、自己相互作用、フレーバー破れ、時間反転対称性破れの主要オーダーの有効演算子を特定・分類すること。
• 特に三体過程において、オンシェル散乱振幅に関してEFTと混合に基づく記述の整合性を確立すること。
• 2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）において、時間反転対称性破れおよびフレーバー破れを支配する普遍的位相を特定すること、特にGlashow-Weinberg条件下での場合を想定する。

提案手法

• デカップリング極限において重いSU(2)シングレットまたはダブルレットを統合することでウィルスン型低エネルギー有効理論を構築すること。
• 質量スケール展開を用いる——演算子をネイティブな次元ではなく、重い質量スケールの累乗で整理することで、相互作用を体系的に分類すること。
• シングレットおよびダブルレットモデルの両方において、ヒッグスがゲージボソン、フェルミオン、および自己相互作用とカップリングする有効次元6および次元8の演算子を導出すること。
• 長距離振幅制約のため、三重ヒッグスカップリングはEFTと混合記述の両方で一致しなければならないことを特定すること。
• 2HDMにおける時間反転対称性破れを、Glashow-Weinberg条件の下でフェルミオンカップリングにおける唯一の普遍的位相に分離することで分析すること。
• 2HDM EFTにおける4フェルミオン演算子およびフレーバー破れヒッグスカップリングを導出し、その結果がtanβに依存しないこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いヒッグス状態を伴うモデルにおいて、混合基底を超えてヒッグス系の真空状態の素性を体系的に整理する方法は何か？
• RQ2 量子数が保存されない重いヒッグス状態を伴うモデルにおいて、有効演算子の正しい展開パラメータは何か？
• RQ3 三点関数に関しては一致するが、四点関数に関してはEFTと混合ベースの記述が異なるのはなぜか？
• RQ4 シングレットおよびダブルレット拡張におけるヒッグスがゲージボソンおよびフェルミオンとカップリングする主要オーダーの修正は何か？
• RQ5 2HDM EFTにおいて時間反転対称性破れはどのように符号化されており、T破れ過程における唯一の普遍的位相を支配するパラメータは何か？

主な発見

• シングレットヒッグスモデルでは、主要オーダーで2つの有効次元6演算子が生じる。1つはすべてのSMに類似したヒッグスカップリングを一様にスケーリングし、もう1つは多ヒッグス相互作用の一般化された修正を可能にする。
• 2ヒッグスダブルレットモデルでは、フェルミオンへのヒッグスカップリング、自己相互作用、および4フェルミオン相互作用を修正する3種類の次元6演算子が存在する。ゲージボソンへのカップリングは次元8でしか修正されない。
• EFTにおける3つの物理的ヒッグス状態のカップリングは、長距離非正則振幅振るまいを保つために、混合記述と一致しなければならない。
• 4つ以上の物理的状態が存在する場合、短距離効果のためEFTと混合記述は異なり、直接的な比較は無効になる。
• Glashow-Weinberg条件の下で2HDMにおいて、次元6での時間反転対称性破れは、唯一の普遍的位相に依存し、ヒッグス-フェルミオンカップリングでのみ現れる。
• 2HDM EFTにおけるフレーバー破れ効果は、すべて次元6の4フェルミオン演算子およびヒッグス＝ヤコビアンカップリングによって完全に記述され、tanβに依存せず、EDMおよびフレーバー異常によって制約を受ける。