[論文レビュー] TASI 2013 lectures on Higgs physics within and beyond the Standard Model

Heather E. Logan|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、標準模型（SM）におけるヒッグス機構について教育的導入を提供し、ヒッグスボソンの相互作用、崩壊、およびハドロンおよび $e^+e^-$ コライダーにおける生成を詳細に説明する。さらに、二重ヒッグスダブルレット模型と三重スカラー模型の2つの事例研究を通じて、標準模型を越えた物理学にまで展開し、最小フレーバー保存性を示す二重ヒッグスダブルレット模型と、カスティオドル対称性を示す三重スカラー模型を提示し、ヒッグスの素粒子物理学的現象およびモデル構築の制約に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

These lectures start with a detailed pedagogical introduction to electroweak symmetry breaking in the Standard Model, including gauge boson and fermion mass generation and the resulting predictions for Higgs boson interactions. I then survey Higgs boson decays and production mechanisms at hadron and $e^+e^-$ colliders. I finish with two case studies of Higgs physics beyond the Standard Model: two-Higgs-doublet models, which I use to illustrate the concept of minimal flavor violation, and models with isospin-triplet scalar(s), which I use to illustrate the concept of custodial symmetry.

研究の動機と目的

• 標準模型における電弱対称性の spontaneously な破れおよびヒッグスボソン相互作用について、包括的かつ教育的な導入を提供すること。
• ハドロンおよび $e^+e^-$ コライダーにおける標準模型ヒッグスボソンの崩壊および生成メカニズムを調査し、LHCにおける分岐比および結合定数の抽出を含むこと。
• 2つの事例研究を通じて、標準模型を越えたヒッグス物理学を探索すること：フリーバー保存型の二重ヒッグスダブルレット模型と、カスティオドル対称性を保つスカラー三重項模型。
• 明示的なモデル構築を用いて、最小フリーバー保存性やカスティオドル対称性といった基礎的概念を説明すること。
• 大学院生および研究者に、LHCにおけるヒッグスデータの分析および標準模型予測からの逸脱の解釈に必要な理論的ツールを提供すること。

提案手法

• ヒッグスダブルレット場を用いた標準模型におけるヒッグス機構を、対称性の spontaneously な破れを用いて導出し、$W^\pm$, $Z$ ボソンおよびフェルミオンの質量がどのように生成されるかを示す。
• ヒッグス真空期待値 $v = 246$ GeV を重要なパラメータとして、ヤコビ相互作用を介してヒッグスがゲージボソンおよびフェルミオンと結合することを計算する。
• 摂動的場の理論とユニタリティゲージを用いて、ヒッグスのフェルミオン、$W^+W^-$、$ZZ$、およびループ誘導モード（$gg$, $\gamma\gamma$, $Z\gamma$）への崩壊を分析する。
• ハドロンコライダー（グルーオン融合など）および $e^+e^-$ コライダー（$W^+W^-$融合および $Z$ ボソン融合）におけるヒッグス生成断面積を評価する。
• フリーバー保存ダイナミクスとヤコビ対合の概念を検討するため、二重ヒッグスダブルレット模型（2HDM）を導入する。
• スカラー三重項模型を検討し、カスティオドル対称性の破れおよび回復を調べ、電弱精度制約の診断ツールとして $\rho$ パラメータを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型において、ヒッグス機構は $W^\pm$, $Z$ ボソンおよびフェルミオンの質量をどのように生成するか？
• RQ2 LHCおよび将来の $e^+e^-$ コライダーにおけるヒッグスボソンの主要な崩壊モードおよび生成メカニズムは何か？
• RQ3 二重ヒッグスダブルレット模型は最小フリーバー保存性をどのように実現するのか？また、ヤコビ対合から生じる制約は何か？
• RQ4 スカラー三重項はどのようにカスティオドル対称性を破るか、または保つのか？また、これにより $\rho$ パラメータにどのような影響を与えるか？
• RQ5 LHCにおけるヒッグス信号率の逸脱は、観測されない崩壊モード（例えば、見えない崩壊）によって説明可能か？観測可能な率は変化しないままか？

主な発見

• ヒッグスボソンの bottom クォークへの崩壊幅は $\Gamma(h\to b\bar{b}) = \frac{3}{8\pi} \frac{m_b^2}{v^2} m_h \left(1 - \frac{4m_b^2}{m_h^2}\right)^{3/2}$ で与えられ、$v = 246$ GeV である。
• 標準模型におけるヒッグス自己結合は $-3i m_h^2 / v$ であり、$hhh$ 頂点は木レベルで $-3i m_h^2 / v$ である。高次元オペレーターからの補正が加わる。
• ポテンシャルに $\phi^6$ 項が存在するモデルでは、ヒッグス質量および自己結合が $1/\Lambda^2$ 比例で補正を受けるため、SMとは異なり $m_h$–$hhh$ 関係が変化する。
• ヒッグス結合のフィットにおいて平坦な方向が存在する：すべての結合定数を $\kappa$ 倍し、観測されない崩壊モード（BR$_{\text{new}} = \kappa^2 - 1$）を導入することで、すべての観測可能な信号率が保存される。
• Hypercharge $Y=2$ の SU(2)$_L$ の七重項が、正しい $W$ および $Z$ ボソン質量比を再現可能であり、それが唯一の質量生成源である場合、$v_7 = v_{\text{SM}} \approx 246$ GeV が必要となる。
• すべての標準模型の質量生成を七重項のみで達成することは不可能であり、フェルミオン質量を生成するには追加のヤコビ結合が必要であり、カスティオドル対称性を破らないようにするには注意深く調整が必要である。