[論文レビュー] Exploring Extensions of the Scalar Sector of the Standard Model

Najimuddin Khan|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本博士論文は、SU(2)_L マルチプレットを用いた標準模型のスカラーセクターの拡張を検討し、追加のヒッグス粒子が電弱真空の安定性およびダークマターの妥当性に与える影響に焦点を当てる。レゾナント構造と位相図を分析することにより、類似したシグネチャを持つモデルをベクトルボソン散乱過程で区別できることを示し、新しいスカラーフィールドがZ_2対称性のもとで電弱真空を安定化させ、宇宙の寿命を延ばす可能性があることを示している。

ABSTRACT

In this thesis, various extensions of the scalar sector have been considered comprising of different ${SU(2)_L}$ multiplets. If the extended scalar sector participates in the electroweak symmetry breaking then these extra scalars need to couple with the known standard model particles. In this work, it has been shown that the vector boson scattering involving scalar boson exchanges provide a complimentary way to direct search methods to probe into the scalar sector. As different extended scalar sectors have similar types of scalar fields, e.g., an extra $CP$-even Higgs, charged Higgs etc., these new physics models can give rise to the similar types of experimental signatures. It is possible to distinguish between such models at various vector boson scattering processes by looking at the resonances. Also, the shapes of the resonances can provide further insight to the relevant parameter space of these models. As in the SM, the electroweak vacuum is metastable, it is important to explore if an extended scalar has an answer in its reserve. As the scalar weakly interacting massive scalar particles protected by $Z_2$ symmetry can serve as viable dark matter candidates, it is interesting to explore if they help prolong the lifetime of the Universe. The effective Higgs potential gets modified in the presence of these new extra scalars, improving the stability of electroweak vacuum. Such an exercise has been undertaken in various kinds of extended scalar sectors. In order to show the explicit dependence of the electroweak stability on different parameters of these extended sectors, various kinds of phase diagrams have been presented. Graphical demonstrations have been provided to illustrate how the confidence level, at which stability of electroweak vacuum is excluded, depends on such new physics parameters.

研究の動機と目的

• 拡張スカラーセクターにSU(2)_L マルチプレットを含めることで、電弱真空の安定性に与える影響を調査すること。
• Z_2 対称性をもつ弱い相互作用を示す大質量スカラーパarticleがダークマター候補として妥当であるかを評価すること。
• 新しいスカラーフィールドが有効ヒッグスポテンシャルにどのように影響を与え、電弱真空の準安定性に寄与するかを特定すること。
• 電弱真空の安定性が新しい物理のパラメータに依存する様子を可視化するための位相図を構築すること。
• ベクトルボソン散乱過程が、類似した実験的シグネチャを持つモデルを区別できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 拡張されたSU(2)_L スカラーセクターに由来する追加のスカラーマルチプレットを含む有効ヒッグスポテンシャルの構築。
• スカラーコアの走行と真空安定性を評価するための微分方程式の適用。
• 特に散乱過程におけるレゾナント構造を介して新しい物理を探るべく、ベクトルボソン散乱振幅の利用。
• 電弱真空の安定性が保たれるパラメータ空間の領域をマップするための位相図の作成。
• 類似した最終状態を持つモデルを区別するため、ベクトルボソン散乱におけるレゾナント形状の分析。
• スカラーダークマター候補を保護するZ_2対称性の導入と、その宇宙論的影響の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SU(2)_L マルチプレットを有する拡張スカラーセクターは、電弱真空の安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのようなパラメータ領域で新しいスカラーフィールドが電弱真空を安定化させ、その様子は位相図によってどのように可視化できるか？
• RQ3 ベクトルボソン散乱過程は、追加のCP対称ヒッグスや荷電ヒッグスを有するような、類似した実験的シグネチャを持つモデルを区別できるか？
• RQ4 Z_2 保護を受けるスカラーパarticleが、拡張スカラーモデルにおいてどれほど妥当なダークマター候補として機能できるか？
• RQ5 ベクトルボソン散乱におけるレゾナント形状は、背後にあるモデルパラメータにどのような洞察を提供するか？

主な発見

• 追加のスカラーマルチプレットの導入により、有効ヒッグスポテンシャルが変化し、さまざまなパラメータ領域において電弱真空の安定性が顕著に向上することが示された。
• 新しい物理のパラメータ（例えばスカラーマスや結合定数）に応じて、電弱真空の安定性が除外される信頼区間を示す位相図が構築された。
• ベクトルボソン散乱過程におけるレゾナント形状が、CP対称ヒッグスや荷電ヒッグスを有するような、類似した最終状態を持つモデルを区別する特徴的なシグネチャを提供することが示された。
• Z_2 対称性を有するスカラーパarticleが、妥当なダークマター候補であることが判明し、電弱真空の安定化により宇宙の寿命が延長されることも示された。
• 本研究では、ベクトルボソン散乱が直接探索とは補完的であり、特に新しいスカラーレゾナント状態に関連する構造を特定するのに有効であることが示された。
• 明示的な数値的結果により、適切な結合定数と質量スケールを有する新しいスカラーフィールドの導入により、パラメータ空間の広い領域で真空安定性が維持されることが明らかになった。