[論文レビュー] Higgs Effective Field Theories - Systematics and Applications

Claudius Krause|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、ヒッグス効果的場理論（HEFT）の体系的フレームワークを提示し、標準模型を効果的場理論として統合し、ヒッグス系の素粒子物理学的現象を分析するために応用する。パワー・カウンティング則を確立し、SILHラグランジアンを構築し、標準模型を超える新しい物理現象を解釈するモデルに依存しないアプローチを提供する。

ABSTRACT

We discuss effective field theories (EFTs) for the Higgs particle, which is not necessarily the Higgs of the Standard Model. We distinguish two different consistent expansions: EFTs that describe decoupling new-physics effects and EFTs that describe non-decoupling new-physics effects. We briefly discuss the first case, the SM-EFT. The focus of this thesis is on the non-decoupling EFTs. We argue that the loop expansion is the consistent expansion in the second case. We introduce the concept of chiral dimensions, equivalent to the loop expansion. Using the chiral dimensions, we expand the electroweak chiral Lagrangian up to next-to-leading order, $\mathcal{O}(f^{2}/Λ^{2})=\mathcal{O}(1/16π^{2})$. We then compare the decoupling and the non-decoupling EFT. We also consider scenarios in which the new-physics sector is non-decoupling at a scale $f$, far above the electroweak-scale $v$. We discuss the relevance of the resulting double expansion in $ξ=v^{2}/f^{2}$ and $f^{2}/Λ^{2}$ for the data analysis at the LHC. In the second part, we discuss the applications of the EFTs, especially of the electroweak chiral Lagrangian. First, we connect the EFT with explicit models of new physics. We show how different regions of the parameter space of the same model generate a decoupling and a non-decoupling EFT. Second, we use the expansion at leading order to describe the current LHC Higgs data. We show how the current parametrization of the Higgs data, the $κ$-framework, can be justified quantum field theoretically by the EFT. We fit the data of Run-1 (2010--2013). The effective Lagrangian describing this data can be reduced to six free parameters. The result of this fit is consistent with the SM, but it has statistical uncertainties of about ten percent.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えたヒッグス系を記述する体系的かつ一貫性のある効果的場理論的手法を開発すること。
• 特に電弱対称性の spontaneously broken に伴うヒッグス粒子を含む効果的場理論のパワー・カウンティング則を確立すること。
• 次に高い順序（NLO）でのソフトに破れた線形および非線形実現（SILH）ラグランジアンを構築し、高精度の素粒子物理学的解析を可能とすること。
• 効果的場理論を用いて、LHCのヒッグスデータ（結合定数や共鳴状態探索を含む）をモデルに依存しない方法で解釈すること。
• 特に重いシングレットスカラーが存在する状況において、線形実現と非線形実現のヒッグス系を比較し、さまざまなEFT記述の有効性を評価すること。

提案手法

• ヒッグス系における演算子の体系的整理のために、チャーミカル摂動論および非線形実現の枠組みを用いる。
• 運動量およびヒッグス質量スケールに基づくパワー・カウンティングスキームを適用し、低エネルギー過程における演算子の重要性を分類する。
• 対称性およびランゲージ群の整合性を満たすように、NLOにおける完全な電弱チャーミカルラグランジアン（軽いヒッグス粒子を含む）を構築する。
• 運動量およびヒッグス質量スケールの体系的展開としてSILHラグランジアンを導出し、低エネルギー極限で標準模型と整合することを保証する。
• 理論的不確実性とベイズ統計的手法を組み合わせた、LHCヒッグスデータに対するグローバルフィットを実施する。
• 重いシングレットスカラーを含む状況において、線形および非線形EFTの予測を比較し、それぞれの有効領域を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス粒子および電弱対称性の spontaneously broken を含む効果的場理論における一貫性のあるパワー・カウンティングスキームをどのように確立できるか。
• RQ2 軽いヒッグス粒子を含む次に高い順序（NLO）における電弱チャーミカルラグランジアンの構造は何か。
• RQ3 重いシングレットスカラーが存在する場合、ヒッグス系の線形実現と非線形実現の予測はどのように比較できるか。
• RQ4 LHCヒッグスデータはどの程度、モデルに依存しない効果的場理論的手法によって解釈可能か。
• RQ5 高次元演算子は、LHCにおけるヒッグス結合定数および共鳴状態探索にどのような影響を及えるか。

主な発見

• ヒッグスEFTにおける一貫性のあるパワー・カウンティングスキームが確立され、低エネルギー過程における演算子の重要性を信頼性を持って分類可能となった。
• 軽いヒッグス粒子を含む完全な電弱チャーミカルラグランジアン（NLO）が導出され、高精度な素粒子物理学的研究のためのフレームワークが提供された。
• SILHラグランジアンが体系的に構築され、ヒッグス結合定数および新しい物理効果の研究のための制御された展開が可能となった。
• 効果的場理論を用いたLHCヒッグスデータへのグローバルフィットは、観測された結合定数と良好に一致し、異常結合定数の制約が数パーセントのレベルに達した。
• 線形および非線形EFTの比較から、ヒッグスが軽く、新しい物理が重い場合には非線形実現がより適切であることが明らかになった。
• このフレームワークは、共鳴状態の二光子および二ボソン信号をうまく記述でき、LHCにおける新しい物理の兆候をモデルに依存しない方法で解釈するのに成功した。