[論文レビュー] The Higgs Portal and Cosmology

K. Assamagan, Chien-Yi Chen+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ヒッグスポータル相互作用—標準模型のヒッグス bosonと新しい物理の間のカップリング—が、暗黒物質の残存密度と電弱ビアジェネシスによるバリオン非対称性という2つの主要な宇宙論的パズルを統一的に扱うフレームワークを提供することを提案している。本研究では、このようなポータルが強い一次相転移とCP対称性の破れを可能にするとともに、検出可能なLHCおよび将来の加速器（FCC-hhやILC）のシグナルを伴う実現可能な暗黒物質候補を支持することを示している。

ABSTRACT

Higgs portal interactions provide a simple mechanism for addressing two open problems in cosmology: dark matter and the baryon asymmetry. In the latter instance, Higgs portal interactions may contain the ingredients for a strong first order electroweak phase transition as well as new CP-violating interactions as needed for electroweak baryogenesis. These interactions may also allow for a viable dark matter candidate. We survey the opportunities for probing the Higgs portal as it relates to these questions in cosmology at the LHC and possible future colliders.

研究の動機と目的

• ヒッグスポータル相互作用が、宇宙における暗黒物質の残存密度とバリオン非対称性の起源の両方を同時にどのように扱えるかを調査すること。
• 強い一次相転移とCP対称性の破れを生成するヒッグスポータルカップリングを持つ、実スカラーニュートラルスカラーや複素トリプレットといった実現可能な理論的モデルを同定すること。
• これらの宇宙論的に動機づけられたシナリオにおけるLHCおよび将来の加速器（例：ILC、FCC、CEPC）での検出可能な加速器シグナルをマップすること。
• 将来の高エネルギー加速器がヒッグスポータルが果たす電弱ビアジェネシスおよび暗黒物質生成の役割をどのように探査できるかを評価すること。
• 修正されたヒッグス自己結合、見えないヒッグス崩壊、および異常なヒッグス崩壊チャネルといった、実験的探索を支援する主要な観測量を特定すること。

提案手法

• スカラーニュートラルスカラーや複素トリプレットへのヒッグスポータルカップリングを含む有効場理論モデルを分析し、電弱相転移およびCP対称性の破れに与える影響に焦点を当てる。
• バリオン対光子比 $Y_B = (8.59 \pm 0.11) \times 10^{-11}$ などの宇宙論的観測からの制約を適用し、妥当なパラメータ空間を絞り込む。
• 見えないヒッグス崩壊（$h \to \chi\chi$）、修正されたヒッグス自己結合、および $h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$、$b\bar{b}\gamma\gamma$、$b\bar{b}b\bar{b}$ などの異常な崩壊を含む加速器シグナルを評価する。
• 14 TeVのLHCで100 fb⁻¹の統計量を持つ場合の、特に $H^+H^0_2 \to b\bar{b}\tau\nu$ チャネルのトリプレットモデルにおけるこれらのシグナルの発見可能性を評価する。
• ILC、FCC-ee、CEPC、SppC/FCC-hh におけるヒッグス自己結合の高精度測定と信号減少の可能性を検討する。
• ユニタリティ、真空安定性、摂動的有効性といった理論的整合性条件を用いて、モデルパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスポータル相互作用は、電弱ビアジェネシスに不可欠な強い一次相転移を生成できるか？
• RQ2 同時に暗黒物質とバリオン非対称性を説明するヒッグスポータルモデルの検出可能な加速器シグナルは何か？
• RQ3 FCC-hh や ILC といった将来の加速器は、ヒッグスポータルが果たす電弱ビアジェネシスおよび暗黒物質残存密度の役割をどのように探査できるか？
• RQ4 観測されたバリオン対光子比と暗黒物質の密度が、ヒッグスポータルカップリングの強さとスカラー質量に与える制約は何か？
• RQ5 LHCで100 fb⁻¹のデータを持つ場合、$h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$ といった異常なヒッグス崩壊は観測可能か？

主な発見

• 実スカラーニュートラルスカラ―とのヒッグスポータル相互作用は、強い一次相転移と修正されたヒッグス自己結合をもたらし、LHCおよび将来の加速器で検出可能な信号減少を引き起こす。
• 実スカラーニュートラルスカラ―モデルでは、100 fb⁻¹のLHCデータで信号減少による発見が可能であり、修正された自己結合はILC、FCC-ee、CEPCで探査可能である。
• 実トリプレットモデルでは、強い一次相転移とCP対称性の破れが可能であり、消える荷電トラックや $\Gamma(h \to \gamma\gamma)$ の減少といったシグナルがLHCで検出可能である。
• トリプレットモデルにおける $H^+H^0_2 \to b\bar{b}\tau\nu$ チャネルは、ポータルカップリング $a_2$ の符号と大きさに依存して14 TeVのLHCで100 fb⁻¹のデータで観測可能である可能性がある。
• LHCにおける $h_2 \to h_1 h_1 \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$、$b\bar{b}\gamma\gamma$、$b\bar{b}b\bar{b}$ といった異常な崩壊チェーンは、モデルパラメータに依存するが、有効な探索チャネルであり、発見の有意性を持つ可能性がある。
• FCC-hh や SppC といった将来の加速器は、暗黒物質残存密度に達していないモデルにおいても、見えないヒッグス崩壊や修正された自己結合に対して高い感度を示す。