[論文レビュー] Higgs sectors with exotic scalar fields

Kei Yagyu|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、三重項、四重項、七重項など、より高いアイソスピン表現に従う「Exotic」なスカラー場を伴うヒッグス系を調査し、その代表例としてヒッグス三重項模型（HTM）を焦点にしている。このモデルは、木レベルでのrhoパラメータのずれ、新しい$H^\pm W^\mp Z$頂点、強化された$hVV$結合、および同電荷二レプトン崩壊を示す特徴的な加速器シグネチャー（例：二重に帯電したヒッグスボソン$H^{\pm\pm}$の$H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$モード）を予測しており、LHCにおける主要な探索手段となる。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson like particle with the mass of around 126 GeV has given us a great clue to know what is the true Higgs sector. New physics models at the TeV scale often introduce Higgs sectors extended from the minimal form, so that the determination of the Higgs sector can be a probe of new physics models. In this talk, we focus on the Higgs sector with exotic representation fields whose isospin is larger than 1/2. We first discuss the general features of exotic Higgs sectors, and then we consider several concrete models to clarify them. The phenomenology of the Higgs triplet model is discussed as the simple but important example.

研究の動機と目的

• アイソスピン > 1/2 のスカラー場を含む拡張されたヒッグス系の素粒子物理学的性質を調査すること。
• このようなExoticなヒッグス系の代表例としてヒッグス三重項模型（HTM）を分析すること。
• 二重に帯電したヒッグスボソン（$H^{\pm\pm}$）の特徴的な加速器シグネチャー（同電荷二レプトンおよび二ボソン崩壊など）を同定すること。
• 特に$h\to\gamma\gamma$、$hVV$、$hhh$の各結合におけるループ効果によるSMに類似したヒッグス粒子の結合定数の修正を介した、HTMの間接的探索を検討すること。
• ヒッグス結合のずれと真空安定性および摂動的ユニタリティからの制約との間の相関関係を確立すること。

提案手法

• アイソスピン$T_i$と hypercharge $Y_i$ を持つ$N$個の多重項からなる一般化されたヒッグス系の形式的枠組みを構築し、スカラー自己エネルギー項から真空期待値（VEVs）と質量スペクトルを導出する。
• ヒッグス三重項模型（HTM）を詳細に分析し、電弱対称性の破れに伴う木レベルでのrhoパラメータの破れと、物理的ヒッグス質量スペクトルの構造を検証する。
• 三重項の真空期待値$v_\Delta$と四重項結合定数$\lambda_4, \lambda_5$を関数として、電荷付きヒッグス（$H^{\pm\pm}, H^{\pm}$）の質量スペクトルを導出する。質量順序は$\lambda_5$に依存する。
• $H^{\pm\pm}$の崩壊分支比を4つの異なる質量領域で計算し、主要な崩壊モードは：領域Iでは$\ell^\pm\ell^\pm$、領域IIでは$W^\pm W^\pm$、領域IIIでは$H^{\pm}W^{\pm*} \to b\bar{b}W^{\pm*}W^{\pm*}$、領域IVでは$\to \ell^\pm \ell^\pm \ell^\pm \ell^\pm$である。
• HTMにおいて、$h\to\gamma\gamma$、$hVV$、$hhh$頂点に対する1ループ補正を計算し、物理的観測量への正規化とマッチングを実施する。
• ヒッグス結合のずれ同士の相関関係を定量的に評価し、$h\to\gamma\gamma$の率が$+30\%$または$-40\%$にシフトする条件下での、$hVV$および$hhh$の結合に対する具体的な予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイソスピン > 1/2 のExoticなヒッグス系は、木レベルで電弱rhoパラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ヒッグス三重項模型における二重に帯電したヒッグスボソン（$H^{\pm\pm}$）の特徴的な加速器シグネチャーは何か？また、質量や結合定数パラメータにどのように依存するか？
• RQ3 HTMにおいて、$H^{\pm\pm}$および$H^{\pm}$のループ効果が$h\to\gamma\gamma$の崩壊断面積を顕著に変化させる可能性はあり、その変化は他のヒッグス結合とどのように相関するか？
• RQ4 真空安定性および摂動的ユニタリティからの制約は、HTMのパラメータ空間にどのような制限を課え、ヒッグス結合の許容可能なずれをどのように規定するか？
• RQ5 $H^{\pm\pm}$の質量階層と崩壊パターンは、HTMのパラメータ空間における異なる領域を区別するためにどのように利用できるか？

主な発見

• ヒッグス三重項模型は、電弱rhoパラメータが1からずれる木レベルの効果を予測しており、実験的制約により三重項の真空期待値$v_\Delta \lesssim 10^{-2}$ GeVである必要がある。
• Exoticなヒッグス系では、$H^\pm W^\mp Z$頂点が木レベルで出現し、これは標準模型に存在しない独自のシグネチャーを提供する。
• HTMでは、特に三重項がヒッグスポータルに寄与する場合、$hVV$結合（$V = W, Z$）が標準模型の値を上回るよう強化される可能性がある。
• 領域Iでは、$H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$の崩壊モードが直接検出に最も有望であるが、$m_{H^{\pm\pm}} \lesssim 400$ GeVではLHCのデータで既に除外されている。
• $m_{H^{\pm\pm}} \approx 180$ GeVの場合、8 TeVで10 fb$^{-1}$の統合したルミナリティで$H^{\pm\pm} \to W^\pm W^\pm$モードが5$\sigma$の感度で検出可能である。
• $h\to\gamma\gamma$の率が$+30\%$ずれる場合、$hVV$頂点には$-0.1\%$のずれ、$hhh$頂点には$-10\%$のずれが予測され、結合のずれ同士に強い相関関係が存在し、真空安定性およびユニタリティ制約と整合的である。