[論文レビュー] Implications of the discovery of a Higgs boson with a mass of 125 GeV

Dario Buttazzo|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、フェルミスケールにおける物理学に及ぼす125 GeVのヒッグスボソン発見の意味を検討し、超対称性、複合ヒッグス模型、および標準模型における自然性を分析する。二ループの真空安定性限界を導出し、近似的に臨界的なヒッグス四次結合定数が不安定性を示唆し、電弱スケールとプランクスケールの物理学を結びつける。

ABSTRACT

The rather precise knowledge of the mass of the Higgs boson and of its couplings has important consequences for the physical phenomena taking place at the Fermi scale. We analyze some of these implications in the most motivated frameworks for physics at that energies - supersymmetry, models of a composite Higgs boson, and the Standard Model itself. At the same time, precision experiments in flavour physics require a highly non-generic structure of flavour and CP transitions. In any model of electroweak symmetry breaking with a relatively low scale of new phenomena, as motivated by naturalness, some mechanism has to be found in order to keep unwanted flavour effects under control. We devote particular attention to the consequences of the approximate U(2)^3 symmetry exhibited by the quarks of the Standard Model. The combined analysis of the indirect constraints from flavour, Higgs and electroweak physics will allow us to outline a picture of some most natural models of physics near the Fermi scale. Although non trivially, a few models emerge that look capable of accommodating a 125 GeV Higgs boson, consistently with all the other constraints, with new particles in an interesting range for discovery at the LHC, as well as associated flavour signals. This is particularly interesting in view of the forthcoming improvements in the direct experimental investigation of that energies. Finally, the measurement of the last parameter of the Standard Model - the Higgs quartic coupling - has important consequences even if no new physics is present close to the Fermi scale: its near-critical value, which puts the electroweak vacuum in a metastable state close to a phase transition, may have an interesting connection with Planck-scale physics. We derive the bound for electroweak vacuum stability with full two-loop precision, and explore some possible implication of near-criticality.

研究の動機と目的

• 電弱対称性の spontaneously broken モデル、特に超対称性と複合ヒッグスの状況における125 GeVのヒッグスボソンの意味を評価すること。
• フェルミスケールにおける新物理に対する、フラバーおよびCP対称性の物理からの制約を検討し、クォーク系における近似的な U(2)^3 対称性の役割を強調すること。
• 真空安定性に対する二ループの高精度限界を導出し、電弱真空の不安定性を評価すること。
• 125 GeVのヒッグスを実現しつつ、間接的制約を満たし、LHCで観測可能な新物理を予測できる妥当なモデルを特定すること。
• 近似的に臨界的なヒッグス四次結合定数とプランクスケール物理学との関係、特に真空の不安定性の文脈での関連を検討すること。

提案手法

• 完全なQCDおよびヤコビ補正を含めた二ループの相互作用のランダム化群方程式を用いて、有効ヒッグス四次結合定数を計算する。
• 頂クォークからヒッグススケールまでの結合定数のランニングにおける対数補正を、異常次元 γ(μ) を用いて再結合する。
• 大規模対数の指数的再結合により有効結合定数 λ_eff(h) を導出する：μ = h において a_eff(h) = e^{4Γ(h)}[λ + λ_eff^{(1)} + λ_eff^{(2)}] となる。
• 完全な二ループ β関数および dilogarithm 関数を用いて、一および二ループ補正 λ_eff^{(1)} および λ_eff^{(2)} を評価する。
• 二ループ有効ポテンシャル計算において、トップクォーク、ゲージボソン、ヒッグス自己結合を含める。
• 完全な二ループ有効ポテンシャルを用いて、電弱真空の安定性限界を決定し、非摂動的補正を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグスボソンは、超対称性および複合ヒッグス模型における自然性をどのように制約するか？
• RQ2 フェルミスケールに新物理を有するモデルにおいて、近似的な U(2)^3 対称性は、フラバー変換を伴う中性荷電現在を抑制する役割を果たすか？
• RQ3 ヒッグス四次結合定数に対する二ループの高精度限界は何か？ そして、それらは真空安定性にどのように影響するか？
• RQ4 125 GeVのヒッグスを有するモデルは、フラバー、電弱、ヒッグスの高精度測定データと整合性を保ちつつ、LHCで観測可能な粒子を予測できるか？
• RQ5 ヒッグス四次結合定数の近似的に臨界的な値とプランクスケール物理学との関係は何か？

主な発見

• 観測された125 GeVのヒッグス質量は、最小限の超対称性標準模型（MSSM）において顕著な微調整を要求し、追加のシングレットを有するより複雑なモデル（例：NMSSM）を好む。
• 二ループ有効ポテンシャル計算により、電弱真空が不安定性を示すことが判明し、ヒッグス四次結合定数が安定性と不安定性を分かつ臨界的な値に近いことが示された。
• 異常次元の再結合および dilogarithm 補正を含めた完全な二ループ精度で有効結合定数 λ_eff(h) が計算された。
• 間接測定によるフラバー制約は、非常に非一般的なフラバーおよびCP遷移構造を要求するが、これは近似的な U(2)^3 対称性を持つモデルで自然に実現される。
• ヒッグス結合定数の近似的臨界性は、プランクスケール物理学との関連を示唆し、真空崩壊率が四次結合定数の正確な値に敏感であることが判明した。
• 特に複合ヒッグスまたは拡張されたスカラー系を持つモデルは、すべての現在の制約を満たしつつ125 GeVのヒッグスを実現でき、LHCで観測可能なシグネチャを予測できる。