[論文レビュー] Large Two-loop Effects in the Higgs Sector as New Physics Probes

Sichun Sun|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ヒッグス bosonにカップリングする実スケールシングレットを含む、簡略化された標準模型を超えるモデルにおいて、二ループの量子補正を計算し、スカラーが中心エネルギーエネルギーの半分未塔のとき、$e^+e^- o Zh$ 戦断の大きな補正と、複素な三ヒッグスカップリングが生じることを発見した。これらの効果は、CP対称性の破れの新たな源を提供し、低質量スカラー領域における正確な制約を得るには、有効場理論の手法を超えて高次のループ計算が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

We consider a simple Higgs portal model in beyond the standard model scenario: an extra real gauge singlet scalar that couples to the Higgs. We calculate the higher-loop corrections to the cross section of the Higgsstrahlung process $e^+e^- ightarrow Z h$, along with the tri-Higgs coupling and the wave-function renormalization. We find noticeable contribution to the total Higgsstrahlung cross section, especially coming from two-loop diagrams. We also find that the correction to the tri-Higgs coupling is complex when this extra scalar is lighter than half of the center of mass energy. It indicates a new source of CP violation. In the region of this extra scalar being lighter than a couple of hundreds of GeVs, we argue that the higher-loop calculation is a more reliable approach than the effective field theory calculation.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小的拡張である、ヒッグスと$Z_2$対称性を持つポータルを介してカップリングする実スケールシングレットを有するモデルにおける、高次のループ補正を調査すること。
• 有効場理論が破綻する低質量スカラー領域において、一ループを超える高次のループ計算（二ループ以上）の妥当性と必要性を評価すること。
• これらの補正が、将来のレプトン衝突型加速器における重要な高精度観測量である$e^+e^- o Zh$ 戦断に与える影響を調査すること。
• 複素な三ヒッグスカップリングの出現と、CP対称性の破れおよび電弱ビアリオジェネシスに与える影響を検討すること。
• 特に電弱相転移の文脈において、軽いスカラー・シングレットを有するモデルのパラメータ空間を制約するにあたり、二ループ効果の役割を評価すること。

提案手法

• 研究では、$Z_2$対称性を保つ$H^\tau H \tilde{\rho}^2$相互作用項を介してヒッグスにカップリングする実スカラー・シングレットを採用する。
• 二ループ補正は、三ヒッグスカップリング補正、波動関数正規化、その他の二ループ寄与に分解される三つの図的クラスに分類して計算される。
• 多ループテンソル積分を評価するために、FIESTAパッケージを含む特別な数値ツールが使用され、半数値的な結果が得られる。
• 中心エネルギーエネルギー250 GeVおよび500 GeVで補正を評価し、特に数100 GeV未塔のスカラー質量に注目する。
• 特に、$m_\rho < \frac{1}{2}\bar{s}$ のとき、三ヒッグスカップリングの虚数部および複素部に注目し、全二ループ振幅を評価する。
• 補正は、一ループ波動関数正規化効果および有効場理論近似と比較され、その妥当性と限界を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実スケールシングレットを有するヒッグスポータルモデルにおいて、二ループ補正は$e^+e^- o Zh$ 戦断にどのように影響を与えるか？
• RQ2 三ヒッグスカップリングが複素位相を獲得する条件は何か？ その物性的意味は何か？
• RQ3 新しいスカラーが軽量（数100 GeV未塔）である場合、なぜ有効場理論の手法ではヒッグスストラーレーション過程を適切に記述できないのか？
• RQ4 二ループ効果は、$Zh$ 生産戦断における一ループ寄与をどの程度キャンセルまたは増幅するか？
• RQ5 このモデルにおける二ループ補正は、電弱ビアリオジェネシスに関連する新たなCP対称性の破れ源として実用的になり得るか？

主な発見

• 二ループ補正による$e^+e^- o Zh$ 戦断への寄与は、一ループ波動関数正規化補正と同程度の大きさであり、特にスカラー質量がヒッグス質量未満のとき、部分的にキャンセルする傾向にある。
• $m_\rho < \frac{1}{2}\bar{s}$ のとき、三ヒッグスカップリングへの補正は複素数となり、標準模型に存在しない新たなCP対称性の破れ源を示している。
• 三ヒッグスカップリングによる全戦断への補正は、$ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $ と見積もられ、$ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $ となり、カップリング$\rho$ に非自明な依存性を示す。
• 波動関数正規化補正は、$ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $ であり、$\bar{s} = 500$ GeVにおける$ 0.05 \times \text{Re}(\rho) $ のオーダーである。
• スカラー質量が数100 GeV未塔の範囲では、二ループ効果が有効場理論を上回る信頼性を持つことが判明した。特に、ILC、CEPC、FCC-eeといった将来の$e^+e^-$衝突型加速器の文脈において顕著である。
• 本モデルは、単一の実スカラーを介してヒッグス系におけるCP対称性の破れをもたらす新たなメカニズムを提供するが、ヒッグスポテンシャルの熱的二ループ補正は、今後の研究に委ねられている。