[論文レビュー] Higgs-Boson Interactions within the Randall-Sundrum Model

Daniele Dominici, Bohdan Grza̧dkowski+2 more|ArXiv.org|Jun 20, 2002

Black Holes and Theoretical Physics被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、可視braneにおける曲率-スカラー結合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ によって誘導されるヒッグス場とラディオン場の混合に注目し、ランダム＝サンズムモデルにおけるヒッグスボソンの相互作用を調査する。ベクトルおよびフェルミオンへの結合に関する和則を導出し、LEP制約によりヒッグスおよびラディオンが同時に軽いことは不可能であることを示し、$h \to \phi\phi$ 衰えが主要なシグネチャとなることが判明。BRは最大で30–40%に達し、LHCにおけるヒッグス探索戦略に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

The scalar sector of the Randall-Sundrum model is discussed. The effective potential for the Standard Model Higgs-boson (h) interacting with Kaluza-Klein excitations of the graviton and the radion (phi) has been derived and it has been shown that only the Standard Model-like vacuum is allowed. The theoretical and experimental consequences of the curvature-scalar mixing xi RHH introduced on the visible brane are considered and simple sum rules that relate the couplings of the mass eigenstates (h) and (phi) to pairs of vector bosons and fermions are derived. The sum rule for the ZZh and ZZ phi couplings in combination with LEP/LEP2 data implies that not both the h and phi can be light. We present explicit results for the still allowed region in the (mh,mphi) plane that remains after imposing the LEP upper limits for non-standard scalar couplings to a ZZ pair. The phenomenological consequences of the mixing are investigated and, in particular, it is shown that the Higgs-boson decay h -> phi phi would provide an experimental signature for non-zero xi and can have a very substantial impact on the Higgs-boson searches, having BR(h->phi phi) as large as 30 - 40 %.

研究の動機と目的

• ランダム＝サンズムモデルのスカラー系を分析し、特にヒッグスボソンとラディオン場の相互作用を明らかにすること。
• 可視braneにおける曲率-スカラー結合 $\\xi R \\widehat{H}^\\dagger\\widehat{H}$ の効果的現象論的結果を調査すること。
• ヒッグスおよびラディオンがベクトルボソンおよびフェルミオンと結合する際の結合定数に関する和則を導出すること。
• $ZZ$-結合スカラーに対するLEP/LEP2の制約を適用した後、$m_h$ と $m_\phi$ の許容パラメータ領域を特定すること。
• LHCにおけるヒッグスボソン検出に与える $h \to \phi\phi$ 衰えの影響を評価すること、特に標準的でない崩壊チャンネルにおいて。

提案手法

• ヒッグス場がカルツァ＝クライン重力モードおよびラディオン場と相互作用する有効ポテンシャルの導出。
• ラディオンの安定化質量項の導入と、$\partial V/\partial h = 0$ を満たすのは唯一標準模型の真空中解であることを証明。
• 可視braneに曲率-スカラー結合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ を導入し、ヒッグスとラディオン場の混合を誘導。
• $ZZh$ および $ZZ\phi$ 結合に関する和則の導出。非ゼロの $\xi$ が $\phi^2 h$ および $h^n h\phi$ 相互作用を生じることを示す。
• LEP/LEP2のデータを用いて、$ZZ$ 対への結合を持つスカラーに対する $(m_h, m_\phi)$ 平面上の許容領域を制約。
• $h \to \phi\phi$ 衰えのブランチング比の現象論的解析。$h \to \phi\phi \to b\bar{b}b\bar{b}$ および $h \to \phi\phi \to b\bar{b}gg$ のLHC背景をモンテカルロ法で評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲率-スカラー結合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ は、ランダム＝サンズムモデルにおけるヒッグス-ラディオン混合にどのような影響を及えるか？
• RQ2 $ZZh$ および $ZZ\phi$ 結合に関する和則は、軽いヒッグスおよびラディオン状態の共存をどのように制約するか？
• RQ3 $ZZ$ 対への結合に対するLEP/LEP2制約を適用した後、$m_h$ と $m_\phi$ の許容パラメータ領域はどのように特定されるか？
• RQ4 $h \to \phi\phi$ 衰えモードは、発見チャンネルとしてどれほど重要であり、どのようなブランチング比が可能か？
• RQ5 $h \to \phi\phi$ の実験的シグネチャと検出の難易度は何か、特にマルチレプトンおよびマルチクォーク最終状態において。

主な発見

• 安定化ラディオン質量項と有効ポテンシャルを導入した後、唯一 $\partial V/\partial h = 0$ を満たす標準模型の真空中解が許容される。
• $ZZh$ および $ZZ\phi$ 結合に関する和則は、ヒッグスおよびラディオンが同時に軽いことは不可能であることを示し、$m_h \sim m_\phi \lesssim 100\,\text{GeV}$ の領域が除外される。
• $m_h = 120\,\text{GeV}$ の場合、$|\xi|$ が大きく $\Lambda_\phi = 5\,\text{TeV}$ のとき、$m_\phi$ が $m_h/2$ に近い領域で $BR(h \to \phi\phi)$ は最大30–40%に達する。
• $\Lambda_\phi = 1\,\text{TeV}$ で $m_h = 120\,\text{GeV}$ の場合、$|\xi|$ が最大で $m_\phi$ が $m_h/2$ に近い理論的許容領域の大部分で $BR(h \to \phi\phi)$ は50%に達する。
• $h \to \phi\phi$ 衰えモードは、$m_\phi$ と $\xi$ に依存して、標準的ヒッグス崩壊チャンネル（特に $h \to \gamma\gamma$ および $h \to \tau^+\tau^-$）のブランチング比を顕著に希釈する。
• $h \to \phi\phi$ の検出は、非ゼロの $\xi$ を直接実験的に示す重要なシグネチャである。LHCにおける $b\bar{b}b\bar{b}$ および $b\bar{b}gg$ 最終状態への専用探索が不可欠である。