[論文レビュー] Higgs Particles in the Standard Model and Supersymmetric Theories

Margarete Mühlleitner|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 20

ひとこと要約

本学位論文は、標準模型（SM）および最小超対称標準模型（MSSM）におけるヒッグス boson の性質について、大強度ハドロン衝突型加速器（LHC）および e+e− 線形衝突型加速器における発見および精度測定を焦点として、包括的な理論的分析を提示する。γγ および WW フュージョン過程におけるヒッグス生成、SM における寿命測定、二重および三重ヒッグス生成を用いた三重ヒッグス自己結合の評価を行い、500 GeV の e+e− 衝突型加速器において SM の三重ヒッグス自己結合が 20% の精度で測定可能であることを示している。一方、MSSM の自己結合は、特定の実験的戦略を用いることで、制限されたパラメータ領域においても測定可能である。

ABSTRACT

This thesis presents a theoretical analysis of the properties of the Higgs bosons in the Standard Model (SM) and the minimal supersymmetric extension (MSSM), which can be investigated at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. The final goal is the reconstruction of the Higgs potential and thus the verification of the Higgs mechanism. MSSM Higgs boson production processes at future $γγ$ colliders are calculated in several decay channels. Heavy scalar and pseudoscalar Higgs bosons can be discovered in the $b\bar{b}$ final state in the investigated mass range 200 to 800 GeV for moderate and large values of $ anβ$. The $τ^+τ^-$ channel provides a heavy Higgs boson discovery potential for large values of $ anβ$. Several mechanisms that can be exploited at $e^+e^-$ linear colliders for the measurement of the lifetime of a SM Higgs boson in the intermediate mass range are analysed. In the $WW$ mode, the lifetime of Higgs scalars with masses below $\sim 160$ GeV can be determined with an error less than 10%. The reconstruction of the Higgs potential requires the measurement of the Higgs self-couplings. The SM and MSSM trilinear Higgs self-couplings are accessible in double and triple Higgs production. A theoretical analysis is presented in the relevant channels at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. For high luminosities, the SM trilinear Higgs self-coupling can be measured with an accuracy of 20% at a 500 GeV $e^+e^-$ linear collider. The MSSM coupling among three light Higgs bosons has to be extracted from continuum production. The other trilinear Higgs couplings are measurable in a restricted range of the MSSM parameter space. At the LHC, the $Hhh$ coupling can be probed in resonant decays.

研究の動機と目的

• SM および MSSM におけるヒッグスメカニズムの検証を目的としたヒッグスポテンシャルの再構築。
• 将来の γγ および e+e− 衝突型加速器における MSSM の重いヒッグスボソンの発見可能性の評価。
• 中間質量領域における SM ヒッグスボソンの寿命に対する高精度測定技術の開発。
• 二重および三重ヒッグス生成を用いた、SM および MSSM における三重ヒッグス自己結合の可測性の検討。
• LHC および e+e− 衝突型加速器のデータを用いて、ヒッグス自己結合の測定可能な MSSM パラメータ空間の特定。

提案手法

• 複数の崩壊チャンネル（b¯b、τ+τ−、SUSY 終状態）における MSSM ヒッグスボソンの γγ 衝突における生成断面積を計算。
• 長距離 W ボソンフュージョン近似を用いて、WW → HiHj および WW → AA における重いヒッグス対生成断面積を計算。
• 有効ラグランジアンおよびループ補正を用いて、MSSM における三重ヒッグス自己結合の解析的表現を導出。
• 500 GeV の e+e− 衝突において、二重および三重ヒッグス生成の理論的分析を実施し、Hhh、HHH、およびヒッグスストレーリング過程を含む。
• ヒッグス幅および分支比形式を用いて、SM および MSSM ヒッグスボソンの全幅および寿命を決定。
• 位相空間統合およびランクスケーリングを適用し、高出力加速器における発見可能性および測定感度の推定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200–800 GeV の質量範囲において、MSSM の重いヒッグスボソンは、γγ 衝突型加速器で b¯b 終状態においてどのように発見可能か？
• RQ2 e+e− 線形衝突型加速器は、160 GeV 未満の SM ヒッグスボソンの寿命をどの程度の感度で測定可能か？また、どの崩壊モードがこの測定を可能にするか？
• RQ3 500 GeV の e+e− 線形衝突型加速器において、SM の三重ヒッグス自己結合を 20% の精度で測定可能か？また、どのような過程がこれを可能にするか？
• RQ4 MSSM パラメータ空間のどの領域で、三重ヒッグス自己結合（例：Hhh、HHH、HAA）がヒッグス対生成を用いて測定可能か？
• RQ5 MSSM におけるヒッグス自己結合、特に軽いヒッグスの三重自己結合は、MSSM パラメータにどのように依存するか？また、主な生成メカニズムは何か？

主な発見

• MSSM のスカラおよびピロニウスヒッグスボソンは、中程度から大きな tan β 値の範囲で、200–800 GeV の質量範囲において b¯b 終状態で発見可能である。
• τ+τ− 崩壊チャンネルは、特に H± および A0 ボソンに対して、大きな tan β の場合に MSSM の重いヒッグスボソンの発見可能性を提供する。
• 160 GeV 未満の SM ヒッグスボソンの寿命は、e+e− 線形衝突型加速器で WW 崩壊モードを用いることで、10% 未満の精度で測定可能である。
• 500 GeV の e+e− 線形衝突型加速器において、高出力条件下で SM の三重ヒッグス自己結合を 20% の精度で測定可能である。
• MSSM における三つの軽いヒッグスボソン（h0h0h0）の三重自己結合は、その小さな分支比のため、連続的生成過程から抽出する必要がある。
• MSSM における共鳴的 Hhh 自己結合は、特に H → hh → bb̄bb̄ チャンネルにおいて、ヒッグスボソンの崩壊を通じて LHC で探査可能である。