[論文レビュー] Vacuum stability bounds on Higgs coupling deviations

Kfir Blum, Raffaele Tito D’Agnolo+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるヒッグスカップリングの10–20%を超えるずれが、ヒッグス真空を安定化するための新しいボソンの必要性を示しており、それらのボソンがヒッグスと直接カップリングしない場合でも同様である。再生群法を用いて、大規模なヤコビ係数を駆動する純粋フェルミオンモデルでは、真空不安定性を防ぐために100 TeV未塔の新しいボソンが存在する必要があることが示され、ヒッグスカップリング測定が直接検出不能な新しい物理学を探る手段であると結論づけている。

ABSTRACT

We analyze the constraints imposed by Higgs vacuum stability on models with new fermions beyond the Standard Model. We focus on the phenomenology of Higgs couplings accessible at the Large Hadron Collider. New fermions that affect Higgs couplings lead to vacuum instability of the Higgs potential. Above the scale of vacuum instability, bosonic states must stabilize the potential, implying a cut-off to the pure fermion model. Conservatively tuning the models to produce the maximal cut-off for a given Higgs coupling effect, we show that observing a deviation in the $Htt$, $H$-diphoton, or $H$-digluon coupling, larger than 20$%$, would require that new bosons exist in order to stabilize the Higgs potential below about 100 TeV. For generic parameter configurations, and unless the new fermions are made as light as they can possibly be given current experimental constraints, observing a 10$%$ deviation in any of these couplings would suggest an instability cut-off below 10-100 TeV. Similarly, if new bosons are absent up to a high scale, then a deviation in the $Hbb$ or $Hττ$ coupling, larger than about 20$%$, should be accompanied by a sizable deviation in the $Zbb$ or $Zττ$ couplings that can be conclusively tested with electroweak precision measurements at planned lepton colliders.

研究の動機と目的

• 純粋フェルミオンモデルが観測可能なヒッグスカップリングのずれを生成する場合のUVカットオフスケール（Λ_UV）の上限を特定すること。
• ヒッグスカップリングのずれ（例：Htt、Hγγ、Hbb）が、ヒッグスポテンシャルを安定化させるために新しいボソン的状態が存在することを示唆するかを評価すること。
• 再生群法（RGE）を介して、LHCで観測可能なヒッグスカップリングの異常と真空安定性の制約を結びつけること。
• スプリット超対称性など、高いスケールまで新しいボソンが存在しないモデルに対して、予測可能なフレームワークを提供すること。その際、このようなモデルは10%未塔のヒッグスカップリングのずれを予測する。

提案手法

• 新しいフェルミオンからの大きなヤコビ係数がもたらすヒッグス自己結合の再生群法的進化（RGE）を分析する。
• 真空安定性の制約を適用し、ヒッグスポテンシャルが不安定になるまでの上限であるUVカットオフスケール（Λ_UV）の上限を導出する。
• 摂動的RGE解析を用いて、ヒッグス四次結合が負に転じるスケールを計算する。
• Λ_UVを、与えられたヒッグスカップリングずれに対して最大にするようにフェルミオンモデルを慎重に調整し、Λ_UV未満に新しいボソンが存在しないと仮定する。
• 予想されるLHCおよび将来のレプトン衝突機関の感度（例：ILC、CEPC）と照らし合わせ、予測されたヒッグスカップリングずれを比較する。
• 特にZbbおよびZττ結合を含む電弱精度測定からの間接的制約を評価し、純粋フェルミオンモデルとの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測可能なヒッグスカップリングずれを生じる純粋フェルミオンモデルの最大UVカットオフスケール（Λ_UV）は何か？
• RQ2 ヒッグスカップリングずれが100 TeV未塔の真空安定化のための新しいボソンの存在を示唆するには、どの程度の大きさである必要があるか？
• RQ3 ZbbまたはZττ結合が標準模型（SM）に近い場合、HbbまたはHττカップリングのずれは純粋フェルミオンモデルと整合的か？
• RQ4 どの程度の範囲で、真空安定性の制約がLHCにおけるヒッグスカップリング異常を示す純粋フェルミオンモデルを除外するか？
• RQ5 高スケールまで新しいボソンが存在しないモデル（例：スプリット超対称性）は、ヒッグスカップリング測定の観点からどのような意味を持つのか？

主な発見

• Htt、Hγγ、またはHggカップリングで20%以上のずれがある場合、ヒッグスポテンシャルを安定化させるために100 TeV未塔に新しいボソンが存在する必要がある。
• これらのカップリングで10%以上のずれがある場合、現在の制約が許容する範囲でフェルミオンが非常に軽くない限り、真空不安定化スケールは10–100 TeV未塔に存在する。
• HbbまたはHττカップリングのずれが約20%を超える場合、ZbbまたはZττ結合にパーミルレベルのずれが伴う必要があり、将来的なレプトン衝突機関でテスト可能である。
• 将来のギガZマシンでそのようなZポールのずれを除外できれば、ヒッグスカップリング異常に対する純粋フェルミオンモデルは除外される。
• LHCでHWWまたはHZZカップリングのずれが観測された場合、強い真空安定性の制約により、純粋フェルミオンモデルは除外される。
• 高スケールまで新しいボソンが存在しないモデル（例：スプリット超対称性）は、フェルミオンが非常に軽くない限り、LHCで発見可能なヒッグスカップリング修正を予測しない。