[論文レビュー] Flavor from the Electroweak Scale

Martin Bauer, Marcela Carena+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、電弱スケールのヒッグス場そのものがフラーバー場として機能し、高次元オペレーターを介してクォークの質量と混合角を生成する2ヒッグスダブルレットモデルを提案する。このモデルは、フラーバー制約とLHCヒッグス精度測定データが、軽い追加ヒッグスボソンを伴うパラメータ領域を強く支持しており、ランIIにおける特徴的なコライダー信号を予測する。

ABSTRACT

We discuss the possibility that flavor hierarchies arise from the electroweak scale in a two Higgs doublet model, in which the two Higgs doublets jointly act as the flavon. Quark masses and mixing angles are explained by effective Yukawa couplings, generated by higher dimensional operators involving quarks and Higgs doublets. Modified Higgs couplings yield important effects on the production cross sections and decay rates of the light Standard Model like Higgs. In addition, flavor changing neutral currents arise at tree-level and lead to strong constraints from meson-antimeson mixing. Remarkably, flavor constraints turn out to prefer a region in parameter space that is in excellent agreement with the one preferred by recent Higgs precision measurements at the Large Hadron Collider (LHC). Direct searches for extra scalars at the LHC lead to further constraints. Precise predictions for the production and decay modes of the additional Higgs bosons are derived, and we present benchmark scenarios for searches at the LHC Run II. Flavor breaking at the electroweak scale as well as strong coupling effects demand a UV completion at the scale of a few TeV, possibly within the reach of the LHC.

研究の動機と目的

• 微調整を回避して観測されたフェルミオン質量階層とCKM混合角を、電弱スケールにフラーバー力学を埋め込むことで説明すること。
• ヒッグスダブルレット自身がフラーバー場として機能する、UV完全なモデルを構築し、恣意的なフラーバー対称性の破れスケールを避けること。
• 特にメソン-反メソン混合におけるFCNCを含むフラーバー物理の制約と、LHCにおける精度ヒッグス測定を調和させること。
• LHCランIIにおける追加ヒッグスボソンの直接探索のためのベンチマークシナリオを特定すること。

提案手法

• 2つのヒッグスダブルレットを用いた高次元オペレーターによる有効ヤコビ係数のモデル化により、従来のフラーバー場の代わりに $ H_u H_d / \tilde{\nu}^2 $ を用いる。
• 有効ハミルトニアンを用い、QCD行列要素に一致させることで、ヒッグスボソンが媒介する1ループ階層のフラーバー変換型中性荷電現在（FCNC）を計算する。
• 拡張されたヒッグス系からの修正されたフェルミオンおよびゲージボソンへの結合を導出し、ヒッグス信号強度と崩壊断面積を評価する。
• ATLASおよびCMSのヒッグスデータを包括したグローバルフィットを実施し、$K$、$B_d$、$B_s$混合および$B_s \to X_s \bar{\nu}\nu$崩壊からの制約を組み込む。
• ウィルスン係数を電弱スケールから混合観測量の関連する低エネルギースケールへ、ランゲルギン群の進化を用いてスケーリングする。
• ベンチマークシナリオにおける追加ヒッグス状態の分岐比を、$\tan\beta$ および $\beta - \bar{\beta}$ に明示的な依存性を含めて導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱スケールでのダイナミクスを用い、ヒッグスダブルレットをフラーバー場として用いることで、クォーク質量階層と混合角を自然に生成できるか？
• RQ2 ヒッグス系における1ループ階層のFCNCは、メソン-反メソン混合およびレア崩壊からの実験的制約にどの程度耐えられるか？
• RQ3 修正されたヒッグス結合は生成断面積と崩壊断面積にどのように影響を与え、現在のLHCヒッグス精度測定と調和するか？
• RQ4 フラーバーおよびヒッグスデータの両方の制約を満たす追加ヒッグスボソンの有効なパラメータ領域はどこか？
• RQ5 LHCランIIの探索において、追加ヒッグス状態の特徴的なコライダー署名を特定できるか？

主な発見

• 2σレベルで、フラーバー制約とLHCヒッグス精度測定の両方を同時に満たすパラメータ領域が顕著に存在する。
• 好ましいパラメータ領域はアライメント/デカップリング限界から大きく離れており、追加ヒッグスボソンがLHCで必ず可視化可能であることを示唆している。
• 電弱精度観測量は、電荷付きと中性ヒッグス状態の間で大きな質量差を好むが、ほぼ縮退した中性スカラーが予想される。
• このモデルは、特に $gg \to h \to \tau\tau$ および $h \to \bar{b}b$ において、現在のLHC測定と整合する強いヒッグス信号強度のずれを予測する。
• ベンチマークシナリオ（例：1a, 1b, 2）では、軽いおよび重い中性、準スカラー、電荷付きヒッグスボソンの分岐比が明確に異なり、$\tan\beta$ および $\beta - \bar{\beta}$ に強く依存する。
• 直接探索は、特に $h \to \tau\tau$、$h \to \bar{b}b$、および $H^\to \tau\tau$ チャネルにおいて、このモデルの強力なプローブである。