[論文レビュー] Leading two-loop corrections to the Higgs di-photon decay in the Inert Doublet Model

Masashi Aiko, Johannes Braathen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、Higgs低エネルギー定理とゲージ無し極限における完全なオンシェル正準化を用いて、Inert Doublet Model (IDM) におけるHiggs二光子崩壊の先行する二ループ補正の評価を初めて行った。二ループ効果が標準模型予測からのずれを顕著に増幅させることを明らかにした。特に、軽いダークマターまたは重いHiggsボソンを有する場合に顕著であり、今後のコライダー実験データの解釈に不可欠である。

ABSTRACT

Leading two-loop contributions to the di-photon decay of the Higgs boson are evaluated for the first time in the Inert Doublet Model (IDM). We employ for this calculation the Higgs low-energy theorem, meaning that we obtain corrections to the Higgs decay process by taking Higgs-field derivatives of the leading two-loop contributions to the photon self-energy. Specifically, we have included purely scalar corrections involving inert BSM Higgs bosons, as well as external-leg contributions involving both the inert scalars and fermions. Our calculation has been performed with a full on-shell renormalization, and in the gauge-less limit. We investigate our results numerically in two scenarios of the IDM: one with a light dark matter (DM) candidate (Higgs resonance scenario), and another with all additional scalars heavy (heavy DM scenario). In both cases, we find that the inclusion of two-loop corrections qualitatively modifies the behavior of the decay width, compared with the one-loop ($i.e.$ leading) order, and that they increase the deviation from the Standard Model. These large deviations can be tested at the High-Luminosity LHC.

研究の動機と目的

• Inert Doublet Model (IDM) におけるHiggs二光子崩壊幅の先行二ループ寄与を計算すること。IDMはダークマター候補を有する標準模型外の代表的理論である。
• 特に軽いまたは重い不活性スカラーを有する場合に、二ループ補正がHiggs崩壊幅に与える影響を評価すること。
• 二つの独立した手法（バックグラウンド場法とピンチ技法）を用いて、計算の一貫性と信頼性を保証すること。
• HL-LHCおよび将来のコライダーにおけるHiggs二光子崩壊の精度測定を解釈するにあたり、二ループ補正の必要性を評価すること。
• 質量スプリングが存在する場合に、二ループ補正が一ループ結果と比較して崩壊幅の挙動に与える影響を定量化すること。

提案手法

• Higgs二光子崩壊の二ループ補正を計算するために、Higgs場の微分を用いたHiggs低エネルギー定理を採用。二ループにおける光子自己エネルギーのHiggs場微分を取ることで実行。
• 完全なオンシェル正準化とゲージ無し極限を用いて、IDMにおける一貫性があり有限な結果を保証。
• ゲージ不変性を保証しつつ結果の妥当性を検証するため、バックグラウンド場法とピンチ技法の二つの独立した計算を実施。
• 不活性Higgsボソン、ゲージボソン、および外部線に不活性スカラー、ゲージボソン、フェルミオンを含むすべての関連二ループ図を考慮。
• 二つのベンチマークシナリオ（軽いダークマター（Higgs共鳴）シナリオと重いHiggsシナリオ）において、数値的に結果を評価。
• 二ループ結果を一ループ予測と比較し、高次の補正が与える定性的および定量的影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 先行二ループ補正は、Inert Doublet ModelにおけるHiggs二光子崩壊幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 特に軽いまたは重い不活性スカラーを有する場合に、二ループ効果は標準模型予測からのずれをどの程度変化させるか？
• RQ3 現在および将来のコライダーで観測されたまたは観測されなかったHiggs二光子崩壊幅のずれを信頼性高く解釈するにあたり、二ループ補正は必要か？
• RQ4 バックグラウンド場法とピンチ技法の二つの独立した計算手法の結果はどのように比較されるか？これにより計算の一貫性に何が示唆されるか？
• RQ5 不活性スカラー間の質量スプリングは、Higgs二光子崩壊幅における非分解効果の強化に果たす役割は何か？

主な発見

• 軽いダークマターおよび重いHiggsシナリオの両方において、二ループ補正の導入により、一ループ結果と比較してHiggs二光子崩壊幅の挙動が定性的に変化することが明らかになった。
• 二ループ補正は標準模型予測からのずれを顕著に増幅させ、特定のパrameter領域では一ループレベルの数倍にまで増幅される。
• バックグラウンド場法とピンチ技法の二つの独立した計算が完全に一致した。これにより、結果の一貫性と信頼性が確認された。
• HL-LHCおよび将来のレプトンコライダーにおけるHiggs二光子崩壊幅の潜在的ずれの信頼できる解釈には、二ループ寄与が不可欠であることが判明した。
• 軽いダークマターシナリオでは、二ループ効果が一ループずれを最大で2倍にまで増幅させ、精度測定において信号をより顕著にした。
• 結果は、重い不活性スカラーに起因する非分解効果が、特に大きな質量スプリングが存在する場合に二ループ次数で顕著に強化されることを示している。