[論文レビュー] EFT naturalness: an effective field theory analysis of Higgs naturalness

Shaouly Bar-Shalom, Amarjit Soni+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、新しい物理学のスケール $M \sim \mathcal{O}(10)$ TeV よりも低いハードカットを用いた有効場理論（EFT）アプローチにより、標準模型におけるヒッグス自然性を検討する。弱く結合した、遮断される新しい物理学から生じる高次元オペレーターが、ヒッグス質量における二次的発散をキャンセルする条件を同定し、$\Lambda \sim 5-10$ TeV まで 'EFT自然性' を達成する。主に重いシングレット／トリプレットボソンまたはフェルミオンによって実現され、ベクトルボソンおよび複数ヒッグス生成における主要なシグナルが予測される。

ABSTRACT

Assuming the presence of physics beyond the Standard Model (SM) with a characteristic scale M ~ O(10) TeV, we investigate the naturalness of the Higgs sector at scales below M using an effective field theory (EFT) approach. We obtain the leading 1-loop EFT contributions to the Higgs mass with a Wilsonian-like hard cutoff, and determine the constraints on the corresponding operator coefficients for these effects to alleviate the little hierarchy problem up to the scale of the effective action Λ< M, a condition we denote by "EFT-naturalness". We also determine the types of physics that can lead to EFT-naturalness and show that these types of new physics are best probed in vector-boson and multiple-Higgs production. The current experimental constraints on these coefficients are also discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型のヒッグス系における小さな階層問題を、新しい物理学のスケールより低いハードカットを用いた有効場理論（EFT）フレームワークで扱う。
• スケール $\Lambda < M$ において、ヒッグス質量の二次的発散をキャンセルできるEFTオペレーターを生成する新しい物理学の種類を同定する。
• EFTオペレーター係数に課される制約を特定し、$\Lambda \sim 5-10$ TeV まで自然性を保つ。
• 現在および将来の精度ヒッグス測定および電弱データからの実験的制約の下で、EFT自然性の妥当性を評価する。
• LHCおよび将来のコライダーでEFT自然性を探索するのに最も感受性が高いプロセスを特定する。

提案手法

• 新しい物理学のスケール $M \sim \mathcal{O}(10)$ TeV よりも低いハードカット $\Lambda < M$ を用いたウィルシャンEFTアプローチを採用する。
• ハードカット正則化を用いて、SMおよび新しい物理学からのヒッグス質量の二乗に対する一次ループ寄与を計算し、$\mathcal{O}(\Lambda^2)$ 発散に注目する。
• EFTにおいて $\mathcal{O}(\Lambda^2)$ 矯正を $\delta m_h^2$ に与えることができるすべての高次元オペレーター（$n \geq 5$）を分類する。
• 最小結合スキームを用いて、EFTオペレーター係数を重い粒子の相互作用（例：シングレット／トリプレットスカラーまたはフェルミオン）に結びつける。
• 修正された結合を介してヒッグス生成および崩壊モードにおける信号強度のずれを推定し、$R^{\rm Total} \approx 1 + 2\sum \text{BR}_{\rm SM}^{xx} \tilde{\delta}_{xx}$ と表す。ここで $\tilde{\delta}$ はオペレーター係数に比例する。
• LHCにおけるヒッグス信号強度および精度電弱データからの実験的制約を評価する。HL-LHCでは約10%の精度、将来の $e^+e^-$ コライダーでは約1%の精度を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール $\Lambda < M$ において、$n \geq 5$ 次の高次元EFTオペレーターの中で、ヒッグス質量の二乗に $\mathcal{O}(\Lambda^2)$ 矯正をもたらすものはどれか？
• RQ2 特に、どの重い粒子表現（例：シングレット、ダブルレット、トリプレット）およびそれらの量子数が、木レベルでこのようなオペレーターを生成できるか？
• RQ3 二次的発散をキャンセルし、$\Lambda \sim 5-10$ TeV まで 'EFT自然性' を達成できるEFTオペレーター係数の制約は何か？
• RQ4 現在および将来のヒッグス信号強度測定は、$pp \to Vh$, $V\to VV$, および $hh$ 生成のような過程において、EFT自然性のシナリオをどの程度制約するか？
• RQ5 LHCおよび将来のコライダーで、EFT自然性のシグナルを最も感受性高く検出できるプロセスは何か？また、それらはSMの予想とどのように異なるか？

主な発見

• EFT自然性は、重いシングレットまたはトリプレットボソンまたはフェルミオンを含む次元6オペレーターの係数が調整され、ヒッグス質量への $\mathcal{O}(\Lambda^2)$ 貢献をキャンセルすることで達成される。このキャンセルは $\Lambda \sim 5-10$ TeV まで有効である。
• 重いスカラー・シングレットおよび／またはフェルミオン（シングレット、ダブルレット、またはトリプレット）が、$\mathcal{O}(1)$ の係数で必要なオペレーター構造を生成するため、EFT自然性の最も可能性の高い実現形態である。
• ヒッグス信号強度のずれは $\mathcal{O}(\epsilon)$ と推定され、ここで $\epsilon \sim \Lambda/M$ である。これは、現在のLHCの精度を満たすために $M \gtrsim \mathcal{O}(1)$ TeV が必要であることを示唆する。
• 将来の $e^+e^-$ コライダーでヒッグス結合の精度が約1%に達すれば、EFT自然性は $\Lambda \sim 2-3$ TeV まで探査可能となり、HL-LHCの探査範囲を拡張する。
• EFT自然性の主なシグナルは、ベクトルボソン融合および複数ヒッグス生成過程におけるずれであり、例えば $pp \to Vh \to Vbb$, $V \to WW$, $ZZ$, または $V_1V_2$、および $pp \to hh$, $hW$, $hZ$, $WW$, $ZZ$ 終状態が含まれる。
• フラバー、CP、バリオン数／レプトン数の対称性には強い制約は生じない。なぜなら、関係するEFTオペレーターはこれらの対称性を破っていないからである。