[論文レビュー] Lectures on Higgs Boson Physics in the Standard Model and Beyond

James D. Wells|ArXiv.org|Sep 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、標準模型およびその先のヒッグスボソン物理学について包括的な理論的概説を提供しており、対称性の自発的破れによる質量生成メカニズム、摂動的ユニタリ性、真空安定性、およびフレーバー変換を伴う中性荷電現在の問題をカバーしている。超対称性、追加次元、隠れたセクターといった拡張についても検討し、ヒッグスのストレンジ状態との混合が、抑制されたカップリング、見えない崩壊、加速器での奇妙な4レプトン信号を引き起こす可能性を示している。

ABSTRACT

These lectures focus on the structure of various Higgs boson theories. Topics in the first lectures include: mass generation in chiral theories, spontaneous symmetry breaking, neutrino masses, perturbative unitarity, vacuum stability, vacuum alignment, flavor changing neutral current solutions with multiple Higgs doublets, analysis of type I theory with Z2 symmetry, and rephasing symmetries. After an Essay on the Hierarchy Problem, additional topics are covered that more directly relate to naturalness of the electroweak theory. Emphasis is on their connection to Higgs boson physics. Topics in these later lectures include: supersymmetry, supersymmetric Higgs sector in the Runge basis, leading-order radiative corrections of supersymmetric light Higgs boson mass, theories of extra dimensions, and radion mixing with the Higgs boson in warped extra dimensions. And finally, one lecture is devoted to Higgs boson connections to the hidden sector.

研究の動機と目的

• チャイralゲージ理論におけるヒッグス機構による電弱対称性の破れの理論的枠組みを体系的に説明すること。
• 電弱領域における自然性に及ぼす階層問題の影響を分析すること。
• 超対称性、追加次元、隠れたセクターを含む標準模型の拡張を検討し、特にヒッグスの素粒子物理学的性質に焦点を当てる。
• 標準模型ヒッグスと異常状態（例：隠れたセクターのヒッグスやZ'ボソン）との混合が加速器の反応断面積にどのように影響するかを調査すること。
• このような混合がヒッグスカップリング、崩壊分岐率、およびLHCにおける新しい物理の発見可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 負の質量平方を持つ複素スカラー場と正の四次結合定数を用いて、自発的対称性の破れを誘発するヒッグス機構を用いる。
• 物理的自由度を除去するためユニタリゲージ固定を適用し、スカラー場のポテンシャルから物理的ヒッグスボソン質量および自己相互作用を導出する。
• 結合定数および真空期待値の制約を用いて、摂動的ユニタリ性と真空安定性を分析する。
• フレーバー変換を伴う中性荷電現在を抑制するためのZ2対称性を有する複数のヒッグスダブルレットを導入し、タイプIおよびタイプIIモデルを研究する。
• 超対称理論における一次近似の量子補正を適用し、MSSMフレームワークで最も軽いヒッグスボソン質量を計算する。
• 半径場がヒッグスボソンと混合する歪みた追加次元をモデル化し、そのカップリングと素粒子物理学的性質を変化させる。
• U(1)Xと hypercharge 間の運動項混合およびSMヒッグスとのモジュール二乗混合を考慮したモデルにおける混合状態のフェ Feynman 則を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス機構は、ゲージ不変性を保ちつつ、ゲージボソンおよびフェルミオンに質量をどのように生成するか？
• RQ2 摂動的ユニタリ性および真空安定性の制約から、ヒッグス系のパラメータにどのような制限が課されるか？
• RQ3 Z2対称性を有する複数のヒッグスダブルレットは、フレーバー変換を伴う中性荷電現在および電弱精度観測量にどのように影響するか？
• RQ4 隠れたセクター状態と混合するヒッグスボソンの加速器シグネチャは、特に見えない崩壊および奇妙な4レプトン最終状態においてどのように現れるか？
• RQ5 歪みた追加次元におけるラディオンとヒッグスの混合は、ヒッグスカップリングおよび生成断面積をどのように変化させるか？

主な発見

• ヒッグスボソン質量は自己結合定数λと真空期待値φ₀によって決定され、mh² = 2λφ₀² が成り立つ。
• SMヒッグスと隠れたセクターのヒッグスボソンとの混合により、カップリングがcₕ²で抑制されたSMに類似た軽いヒッグスが得られ、カップリングがsₕ²で抑制された重い隠れたセクターに類似たヒッグスが得られる。
• カップリングが混合によって抑制される場合、トランスTeVのヒッグスに類似た状態は、摂動性の破綻を避けるために実現可能である。
• 重い隠れたヒッグスボソンは、SMのベクトルボソンに崩壊することができ、グルーオン融合を介した生成が可能となり、高質量最終状態での探索が可能になる。
• 混合角が小さく、隠れたセクターに軽い状態が存在する場合、ヒッグスボソンの見えない最終状態への崩壊が顕著になる。
• 運動項混合がループで抑制され、Z'が軽い場合、運動的に可能な4レプトン崩壊 h → h_hid → ZZ → 4ℓ の分岐率は100％に近づく可能性がある。