[論文レビュー] Gravitational Decay Modes of the Standard Model Higgs Particle

Y. Srivastava, A. Widom|ArXiv.org|Mar 31, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、標準模型のヒッグス粒子が、重力的質量とヒッグス誘発慣性質量の物理的等価性に起因し、重力定数 G に依存しない木レベルの重力カップリングを通じて2つの重ヒッグス粒子に崩壊しうると提案する。主な結果として、ボトムおよびトップクォーク対の閾値の間のヒッグス粒子質量において、この崩壊モードが光子およびジェット崩壊を上回り、量子重力の兆候としての可能性を示す。

ABSTRACT

If the Einstein field equations are employed at the tree level, then the decay of the standard model Higgs particle into two gravitons is shown to be independent of the gravitational coupling strength G. The result follows from the physical equivalence between the Higgs induced ``inertial mass'' and the ``gravitational mass'' of general relativity. If the Higgs mass lies well between the mass of a bottom quark anti-quark pair and the mass of a top quark anti-quark pair, then the Higgs decay into two gravitons will dominate both the QED induced two photon decay and the QCD induced two jet decays.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論と標準模型の枠組み内でヒッグス粒子の重力的崩壊モードを調査すること。
• 一般相対性理論におけるヒッグス誘発慣性質量と重力的質量の間の概念的ギャップを解消すること。
• 特定の質量条件下でヒッグス粒子が2つの重ヒッグス粒子に崩壊するモードが他の崩壊チャネルを上回るかどうかを特定すること。
• このような崩壊が量子重力および重ヒッグス粒子生成の間接的実験的プローブとして機能しうることを提唱すること。

提案手法

• 木レベルにおけるアインシュタイン場方程式を用い、ヒッグス場とストレステンソルの重力的トレースとの間の有効作用を導出する。
• ヒッグス真空期待値とスカラー曲率 R の関係を用い、有効作用を重力的ラグランジアン密度 L_g の形に表現する。
• 慣性質量と重力的質量の等価性を適用することで、最終的な崩壊率式における重力カップリング G が相殺されることを示す。
• 量子場理論の形式を用いてヒッグス粒子から2つの重ヒッグス粒子への行列要素を計算し、G に依存しない率の式が得られることを示す。
• 木レベルの重ヒッグス粒子崩壊率を1ループのQEDおよびQCD過程（例：H→γγ および H→gg）と比較し、前者が顕著に大きいことを示す。
• 運動学的閾値を分析して、H→gg が W+W− や ZZ、クォーク対への崩壊を上回る質量領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス粒子が、重力カップリング強度 G に依存しない木レベルの過程で2つの重ヒッグス粒子に崩壊しうるか？
• RQ2 ヒッグス誘発慣性質量と重力的質量の物理的等価性は、H→gg の崩壊率が G に依存しないことをもたらすか？
• RQ3 ヒッグス粒子質量がどの範囲にあれば、H→γγ や H→qq̄ などの他の崩壊チャネルを上回る形で H→gg が支配的になるか？
• RQ4 ヒッグス粒子が2つの重ヒッグス粒子に崩壊する過程は、高エネルギー実験において量子重力の検出可能な兆候として機能しうるか？
• RQ5 H→gg の崩壊率は、QCDにおける1ループ過程 H→γγ や H→gg と比べて定量的にどの程度か？

主な発見

• ヒッグス粒子が2つの重ヒッグス粒子に崩壊する崩壊率は、Γ(H→g+g) = (1/16π)(M_H / M_F)²(M_H c² / ℏ) で与えられ、重力定数 G に依存しない。
• フェルミカップリング定数を用いて表すと、Γ(H→g+g) = (√2 / 16π)(G_F M_H² / ℏc)(M_H c² / ℏ) となり、G に依存しないことが確認される。
• ヒッグス粒子質量が 2m_b から 2m_t の間では、H→gg の崩壊率が H→γγ および H→qq̄ の両方を上回る。
• 重力カップリングが木レベルにあることから、H→γγ の1ループ崩壊率よりも、H→gg の崩壊率は10⁶倍以上大きい。
• W+W− や ZZ 対への崩壊の閾値を下回るヒッグス粒子質量では、2つの重ヒッグス粒子への崩壊も支配的になる。
• p+p̄→H→g+g の過程は、直接観測できない最終状態の重ヒッグス粒子を伴うが、Z→νν̄ と同様に欠落エネルギーのシグネチャとして検出可能である。