[論文レビュー] Phenomenology and Theory of Possible Light Higgs Bosons

Gordon Kane, Brent Nelson+2 more|ArXiv.org|Apr 14, 2003

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

ひとこと要約

この論文は、直接発見が確認されていないにもかかわらず、LEPの115 GeV未満の除外限界を下回る軽いヒッグスボソンが存在しうる15の物理的に異なる状況を調査している。特に、ヒッグスセクターの混合が強化されたMSSMの拡張や新しいゲージ対称性を持つモデルが、微調整を必要とせずより重いヒッグス質量を自然に実現できることを示しており、LEPのnull結果はヒッグスボソンそのものの不在ではなく、生成または崩壊断面積の抑制に起因する可能性があると示唆している。

ABSTRACT

We study the implications of the absence of a direct discovery of a Higgs boson at LEP. First we exhibit 15 physically different ways in which one or more Higgs bosons lighter than the LEP limit could still exist. In the minimal supersymmetric standard model (MSSM) all of these, as well as the cases where the Higgs mass equals or exceeds 115 GeV, seem fine-tuned. We examine some interpretations of the fine tuning in high scale theories. The least fine-tuned MSSM outcome will have a Higgs mass at 115 GeV, while approaches that extend the MSSM at the weak scale can naturally have larger Higgs masses.

研究の動機と目的

• MSSMにおける軽いヒッグスの間接的証拠があるにもかかわらず、LEPで直接のヒッグスボソン信号が観測されなかった理由を説明すること。
• 生成または崩壊断面積が抑制されているために、115 GeV未塔のヒッグスボソンが依然として存在しうる物理的に異なるモデルを同定すること。
• MSSMにおける微調整の程度を評価し、より重いヒッグスを不自然なパrameter調整なしに実現できる拡張を検討すること。
• LEPのnull結果が、拡張されたヒッグスセクターまたは新しいゲージ対称性を含む弱いスケールでの新しい物理学を示唆しているかどうかを評価すること。
• 高スケール理論における自然性の理論的基盤と、微調整を回避して重いヒッグスを実現するための三重項A項の役割を調査すること。

提案手法

• ヒッグスボソンの生成断面積または分岐比が小さくなることでLEPで検出されない15の現象学的に異なるモデルを体系的にリスト化する。
• MSSMフレームワークをベースとし、ソフト対称性破れ項とゲージ群$SU(3)\times SU(2)\times U(1)$を用い、新たなスカラー場やゲージ対称性を導入して拡張する。
• ヒッグスと$ZZ$の結合を$C_{ZZH_i} = (g_2 M_Z / \cos\theta_W) C_i$として分析し、近似値を用いて信号強度を制約する。
• ヒッグス質量の1ループ補正の大きさを評価することで微調整の程度を測定し、特にMSSMでは$\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$が要求されることを確認する。
• 三重項A項とスカラー質量が、自然な電弱対称性破れを実現するための$A_t \simeq -2m_0$を達成する役割を評価する。
• ストリング理論的およびGUTに由来するモデル（例：ドライバー支配、交差するDブレーン）を検討し、微調整を必要とせず大きなA項を自然に生成するメカニズムを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPのヒッグス探索のnull結果は、ヒッグスボソンそのものの不在ではなく、生成または崩壊断面積の抑制に起因する可能性があるか？
• RQ2 115 GeV未満のヒッグスボソンがLEPデータに矛盾しない物理的に異なるシナリオは何か？
• RQ3 自然な電弱対称性破れを実現するための要請が、MSSMにおける三重項A項とスカラー質量にどのような制約を課えるか？
• RQ4 弱いスケールでのMSSMの拡張（例：追加のU(1)ゲージ対称性）が、微調整を必要とせずより重いヒッグスを自然に生成できるか？
• RQ5 特定のソフト対称性破れ項（例：$A_t \simeq -2m_0$）が、高スケール理論における自然性と統合に与える影響は何か？

主な発見

• 15の異なるシナリオが存在し、ヒッグスボソンが115 GeV未塔であっても、生成または崩壊断面積が抑制されているためにLEPで検出されない可能性がある。特に、$m_h \simeq 98$ GeVおよび$m_A \simeq 89$ GeV（シナリオ1）のケースが含まれる。
• 最小限のMSSMで$m_h = 115$ GeVを達成するには、1ループ補正が$\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$を供給する必要があり、顕著な微調整を要する。
• 弱いスケールでヒッグスセクターの混合が強化されたMSSMの拡張は、特に$A_t \simeq -2m_0$のとき、微調整を必要とせずより重いヒッグスを自然に実現できる。
• 非一様なソフト対称性破れ項（例：ドライバー支配、交差するDブレーン構造）を有するモデルは、$A_t \simeq -2m_0$を自然に生成でき、微調整を低減する。
• ヒッグス質量が$m_h \simeq 115$ GeVで$ m_A \simeq m_H > 115$ GeV（シナリオ10）である場合、mSUGRAと整合的であり、$\tan\beta \simeq 3-50$の範囲で微調整を回避できる。
• ヒッグスの見えない崩壊（$h \to \tilde{N}_1\tilde{N}_1$）やCP違反崩壊（$H_2 \to H_1H_1$）を伴うシナリオは、特に$\tan\beta \simeq 8-50$のモデルにおいて信号の不在を説明できる。