[論文レビュー] Phenomenology of the new light Higgs bosons in Gildener-Weinberg model

Kenneth Lane, Eric Pilon|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、電弱対称性の破れのGildener-Weinberg (GW) モデルにおいて、約125 GeVのヒッグス粒子が近似的なスケール対称性によって保護される場合の、軽いヒッグス粒子の素性を調査する。その結果、すべての新しいヒッグス粒子の質量は約500 GeV未塔に制限される和則則が成立し、LHCで検出可能であるが、自己結合が抑制されるためヒッグス対およびヒッグス三重の生成断面積が極めて小さくなり、将来的な100 TeV加速器でも検出不能である。その代わりに、近い将来においてはこれらの軽いヒッグス粒子の直接探索が、GWモデルを検証する最も現実的な道筋である。

ABSTRACT

Gildener-Weinberg (GW) models of electroweak symmetry breaking are especially interesting because the low mass and nearly Standard Model couplings of the $125\,{ m GeV}$ Higgs boson, $H$, are protected by approximate scale symmetry. Another important but so far under-appreciated feature of these models is that a sum rule bounds the masses of the new charged and neutral Higgs bosons appearing in {\em all} these models to be below about $500\,{ m GeV}$. Therefore, they are within reach of LHC data currently or soon to be in hand. Also so far unnoticed of these models, certain cubic and quartic Higgs scalar couplings vanish at the classical level. This is due to spontaneous breaking of the scale symmetry. These couplings become nonzero from explicit scale breaking in the Coleman-Weinberg loop expansion of the effective potential. In a two-Higgs doublet GW model, we calculate $\lambda_{HHH} \simeq 2(\lambda_{HHH})_{ m SM} = 64\,{ m GeV}$. This corresponds to $\sigma(pp o HH) \cong 15$--$20\,{ m fb}$, its {\em minimum} value for $\sqrt{s} = 13$--$14\,{ m TeV}$ at the LHC. It will require at least the $27\,{ m TeV}$ HE-LHC to observe this cross section. We also find $\lambda_{HHHH} \simeq 4(\lambda_{HHHH})_{ m SM} = 0.129$, whose observation in $pp o HHH$ requires a $100\,{ m TeV}$ collider. Because of the above-mentioned sum rule, these results apply to {\em all} GW models. In view of this unpromising forecast, we stress that LHC searches for the new relatively light Higgs bosons of GW models are by far the surest way to test them in this decade.

研究の動機と目的

• 電弱対称性の破れのGildener-Weinberg (GW) モデルにおける新しい軽いヒッグス粒子の素性を分析すること。
• スケール対称性およびその明示的破れから生じるヒッグス質量および結合定数に関する主要な制約を特定すること。
• LHCおよび将来の加速器におけるヒッグス対および三重生成の検出可能性を評価すること。
• 現在の十年間において、GWモデルを検証するための最も現実的な実験的道筋が、新しいヒッグス粒子の直接探索であると主張すること。

提案手法

• GWモデルにおける新しいヒッグス粒子の質量に関する和則則を導出：(∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeV。これは一次のループ摂動理論で有効である。
• 2ヒッグスダブルレットGWモデル（GW-2HDM）における古典的ヒッグスポテンシャルを分析し、古典的にスケール不変性を持つため、特定の三重および四重結合定数が消えることを示す。
• コロンベ-ワインバーグループ展開を用いて有効なヒッグス自己結合定数λHHHおよびλHHHHを計算し、明示的スケール破れにより非ゼロの値が生成されることを示す。
• 導出された結合定数を用いて、LHCおよび将来の100 TeV加速器におけるpp → HHおよびpp → HHHの生成断面積を評価する。
• モデルの予測を、ATLASおよびCMSの既存のLHCデータおよび探索限界と比較し、H± → t¯b、H2,A → b¯b、およびH2,A → ZHといった崩壊モードに注目する。
• 特にtanβ < 1の領域において、現在および将来のLHCデータがGW-2HDMのパrameter空間に与える感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gildener-Weinbergモデルにおける新しい電荷を帯びたおよび中性のヒッグス粒子の質量にどのような上限が存在し、スケール対称性からどのように生じるか？
• RQ2 GWモデルではなぜ特定の三重および四重ヒッグス自己結合定数が古典的にゼロとなるのか？ そして量子補正によってどのように生成されるのか？
• RQ3 GWモデルにおけるヒッグス対および三重生成の断面積は予測されるか？ それらはLHCや将来の加速器で検出可能か？
• RQ4 新しいヒッグス粒子のどの崩壊モードが現在のLHC探索において最も検出可能であり、モデルパラメータにどのような制約を与えるか？
• RQ5 なぜ200–500 GeVの範囲における新しいヒッグス粒子の直接探索が、近い将来にGWモデルを検証する最も有望な道筋とされるのか？

主な発見

• 和則則(∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeVにより、GWモデルにおけるすべての新しいヒッグス粒子の質量は約500 GeV未塔に制限され、LHCで検出可能である。
• GWモデルにおいて、三重ヒッグス自己結合定数λHHHは約64 GeVと予測され、√s = 13–14 TeVにおけるpp → HH生成断面積は15–20 fbと推定される。
• 四重ヒッグス自己結合定数λHHHHは0.129と推定され、pp → HHHの断面積は100 TeV加速器でも検出不能ほど小さい。
• ヒッグス自己結合定数の抑制のため、200–500 GeVの範囲における新しいヒッグス粒子（H±, H2, A）の直接探索が、現在の十年間におけるGWモデルを検証する唯一現実的な実験的道筋である。
• MH± ≈ 400 GeVおよびtanβ = 0.5の場合、H± → W⁺H₂の崩壊断面積はH± → t¯bの70倍に達するため、t¯b探索においてH± → W⁺H₂ → ℓ⁺b¯bが誤って識別される可能性がある。
• 現在のLHCデータ（13 TeVで140 fb⁻¹）により、H2,A → b¯bのtanβ < 3–6が制約され、将来的なRun 3ではtanβ > 0.2の場合に10³～数×10⁶個の新しいヒッグス粒子が生成される見込みである。