[論文レビュー] Off-Shell Higgs Coupling Measurements in BSM scenarios

Christoph Englert, Yotam Soreq+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、次世代標準模型（BSM）の新しい物理を探索するためのオフシェル Higgs 耦合測定について検討しており、特に次元6の演算子、共鳴状態、および Higgs ポータルモデルの状況を対象としている。オフシェル Higgs の信号強度が、特定のモデル仮定のもとでのみ、全 Higgs 幅の制約に寄与することを示しており、干渉効果と運動量相関が解釈において重要な役割を果たす。特に MSSM や有効場理論の拡張において顕著である。

ABSTRACT

Proposals of measuring the off-shell Higgs contributions and first measurements at the LHC have electrified the Higgs phenomenology community for two reasons: Firstly, probing interactions at high invariant masses and momentum transfers is intrinsically sensitive to new physics beyond the Standard Model, irrespective of a resonant or non-resonant character of a particular BSM scenario. Secondly, under specific assumptions a class of models exists for which the off-shell coupling measurement together with a measurement of the on-shell signal strength can be re-interpreted in terms of a bound on the total Higgs boson width. In this paper, we provide a first step towards a classification of the models for which a total width measurement is viable and we discuss examples of BSM models for which the off-shell coupling measurement can be important in either constraining or even discovering new physics in the upcoming LHC runs. Specifically, we discuss the quantitative impact of the presence of dimension six operators on the (de)correlation of Higgs on- and off-shell regions keeping track of all interference effects. We furthermore investigate off-shell measurements in a wider context of new (non-)resonant physics in Higgs portal scenarios and the MSSM.

研究の動機と目的

• オフシェル Higgs 測定を、BSM 状況における全 Higgs ボソン幅の制約として解釈する可能性を評価すること。
• 次元6の演算子が、オンシェルとオフシェル Higgs 範囲間の相関をどのように変化させるか、干渉効果を含めて分析すること。
• Higgs ポータルモデルおよび MSSM における非共鳴および共鳴的新しい物理に対する、オフシェル Higgs 測定の感度を評価すること。
• オフシェル測定が標準模型を越えて、独自の制約や発見を可能にするモデルクラスを特定すること。
• オフシェル信号強度が Higgs 幅に関連づけられる意味のある解釈が可能になるための基準（例：二重比 R(mZZ) ≈ 1）を確立すること。

提案手法

• 次元6の演算子を用いた有効場理論（EFT）を用いて、Higgs 耦合および生成振幅における BSM 素因修正をモデル化する。
• 二重比 R(mZZ) = μ_off / μ_on を用いて、オンシェルとオフシェル信号強度の整合性を定量化し、Higgs 幅解釈の診断指標とする。
• gg → ZZ → 4ℓ の過程において、高インバリアント質量領域（mZZ > 330 GeV）における SM と BSM 捕捉の干渉効果を定量的分析する。
• 明示的な BSM モデルを検討：新しい重いスカラー φ を持つ簡略化された Higgs ポータルモデル、MSSM、一般の 2HDM/nHDM 拡張。
• 部分的レベルの振幅とブライト＝ヴァイナー伝播関数を用いて、共鳴的寄与および SM のトップループ図との干渉をモデル化する。
• mZZ における微分断面積分布を数値的に検証し、混合角や共鳴質量の変動に応じて SM 期待値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようなモデル仮定のもとで、オフシェル Higgs 耦合測定が全 Higgs 幅の制約として解釈可能となるか？
• RQ2 SM と BSM 捕捉の干渉効果が、オンシェルとオフシェル Higgs 信号強度の相関にどのように影響するか？
• RQ3 次元6の演算子は、オンシェルとオフシェル Higgs 範囲間の（非）相関をどの程度変化させるか？
• RQ4 MSSM や Higgs ポータルモデルなどの BSM 状況において、オフシェル測定が新しい物理に特有の感度を示すのはどのような場合か？
• RQ5 オフシェルデータが Higgs 幅の観点から有効に解釈可能になるために必要な運動量的およびモデル依存的基準（例：R(mZZ) ≈ 1）は何か？

主な発見

• オフシェル Higgs 信号強度が全 Higgs 幅のプローブとして解釈可能であるのは、特定のモデル仮定のもとでのみであり、特に式 (15) に示されるように、Higgs が標準模型粒子に一様に結合する場合に限る。
• オフシェルデータが Higgs 幅の制約に寄与するためには、不確実性を含めた範囲で R(mZZ) ≈ 1 が満たされていることが必須条件であることが、式 (7) で示された。
• 次元6の演算子に起因する干渉効果は、共鳴閾値付近でオンシェルとオフシェル領域間の相関を顕著に変化させる。
• 重いスカラー φ を持つ Higgs ポータルモデルでは、mZZ が大きい領域（例：mφ = 350 GeV、cos²χ = 0.5）でオフシェル信号が強化されるが、電弱精度制約のため中程度の混合角でのみ成立する。
• mZZ ≳ 400 GeV の領域では、線形混合と漸近的分離のため、微分断面積は SM の極限に近づき、高エネルギー領域における SM の振る舞いが妥当であることが裏付けられる。
• オフシェル測定が常に Higgs 幅に感受的であるとは限らない。TeV スケールの新しい共鳴状態や電弱磁気的演算子を持つ状況では、信号が Higgs とは無関係な新しい物理に起因する可能性がある。