[論文レビュー] Upper and lower Higgs boson mass bounds from a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model

Philipp Frederik Clemens Gerhold|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 186被引用数 12

ひとこと要約

このラティス場理論の研究では、動的なフェルミオンを伴うチャイラル不変なラティスHiggs-Yukawa模型を用いて、摂動論的でない方法でHiggsボソンの上限と下限の質量を決定した。Neubergerの重ね合わせ作用素とPHMCアルゴリズムを用い、Λ = 1000 GeVで約80 GeVの下限と、Λ = 1500 GeVで約630 GeVの上限を得た。両者はすべてカットオフに依存しており、自明性スケーリングと整合的である。

ABSTRACT

Motivated by the advent of the Large Hadron Collider the aim of the present work is the non-perturbative determination of the cutoff-dependent upper and lower mass bounds of the Standard Model Higgs boson based on first principle calculations, in particular not relying on additional information such as the triviality property of the Higgs-Yukawa sector or indirect arguments like vacuum stability considerations. For that purpose the lattice approach is employed to allow for a non-perturbative investigation of a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model, serving here as a reasonable simplification of the full Standard Model, containing only those fields and interactions which are most essential for the intended Higgs boson mass determination. These are the complex Higgs doublet as well as the top and bottom quark fields and their mutual interactions. To maintain the chiral character of the Standard Model Higgs-fermion coupling also on the lattice, the latter model is constructed on the basis of the Neuberger overlap operator, obeying then an exact global lattice chiral symmetry.

研究の動機と目的

• 真空安定性や自明性といった間接的仮定に依存せずに、Higgsボソン質量の摂動論的でない上限と下限を決定すること。
• 完全に動的なラティスシミュレーションを用いて、Higgs-フェルミオン相互作用が下限質量を生成する役割を調査すること。
• 有限体積補外を用いて、Higgs-Yukawa模型の強い結合定数領域における上限質量を確立すること。
• 純粋なφ⁴理論と比較することで、フェルミオン自由度が上限質量に与える影響を評価すること。
• Lüscherの方法をラティスフレームワークに応用し、Higgsボソンの崩壊幅を計算する出発点を築くこと。

提案手法

• 研究では、複素Higgsダブルレットとトップ・ボトムクォーク場を含むラティスHiggs-Yukawa模型を用い、標準模型の主要なHiggs-フェルミオン相互作用を模倣した。
• フェルミオン系における正確なグローバルチャイラル対称性を保つために、Neubergerの重ね合わせ作用素を用いてラティス上でのチャイラル対称性を保存した。
• PHMCアルゴリズムをHiggs-Yukawa模型に適応し、完全なフェルミオン伝播を伴う摂動論的でないシミュレーションを可能にした。
• 下限質量は有効ポテンシャルの制約から導き出し、Λ = 1000 GeVでの数値シミュレーションで確認した。
• 上限質量は強い結合定数領域で計算され、有限サイズスケーリングを用いて無限体積への補外が行われた。
• Lüscherの方法を用いて、再規格化された四次結合定数が小さい領域でHiggs崩壊幅を計算し、摂動論的予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の仮定なしに、Higgs-フェルミオン相互作用から生じる摂動論的でないHiggsボソン質量の下限は何か？
• RQ2 上限質量がラティスのカットオフにどのように依存するか。また、期待される自明性スケーリングに従うか？
• RQ3 フェルミオン自由度は、純粋なスカラーφ⁴理論と比較して上限質量にどのように寄与するか？
• RQ4 Lüscherの方法は、ラティスHiggs-Yukawa模型においてHiggsボソンの崩壊幅を計算するために成功裏に適用可能か？
• RQ5 下限質量は普遍的か、それともHiggs自己相互作用の具体的な形に依存するか？

主な発見

• カットオフが1000 GeVのとき、Higgsボソンの下限質量は約80 GeVに達し、固定されたYukawa結合定数の下でHiggs-フェルミオン相互作用から直接生じた。
• 下限質量は普遍的ではなく、四次結合定数構造を含むHiggs自己相互作用の具体的な形に依存する。
• カットオフが1500 GeVのとき、強い結合定数領域における無限体積補外を経て、Higgsボソンの上限質量は約630 GeVに決定された。
• 上限質量のカットオフ依存性は、Higgs-Yukawa系の自明性像に一致する対数的低下を示した。
• 再規格化された四次結合定数が小さい領域では、ラティスで計算されたHiggs崩壊幅が摂動論的予測と良好に一致し、Lüscherの方法の有効性が裏付けられた。
• 純粋なφ⁴理論との直接比較から、フェルミオンが上限質量に寄与することが示唆されたが、明確な結論を得るにはさらに高い統計が必要である。