[論文レビュー] What do precision Higgs measurements buy us?

Brian Henning, Xiaochuan Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2014

Computational Physics and Python Applications被引用数 53

ひとこと要約

本稿は、電弱重ね合わせ生成のための木レベルのシングレットスカラーモデルと、自然性のための1ループMSSMスカラートップモデルという2つの異なる新しい物理のモデルに対する、将来の精度の高いヒッグスおよび電弱測定の感度を評価している。有効場理論を用いて、両方のヒッグスおよび電弱観測量が、新しい物理のスケールに対して同等の感度を持つことが示され、将来の $e^+e^-$衝突機器（ILCおよびTeraZ）が自然なMSSMパラメータ領域を探索可能であることが示された。

ABSTRACT

We study the sensitivities of future precision Higgs measurements and electroweak observables in probing physics beyond the Standard Model. Using effective field theory--appropriate since precision measurements are indirect probes of new physics--we examine two well-motivated test cases. One is a tree-level example due to a singlet scalar field that enables the first-order electroweak phase transition for baryogenesis. The other is a one-loop example due to scalar top in the MSSM. We find both Higgs and electroweak measurements are sensitive probes of these cases.

研究の動機と目的

• 将来の精度の高いヒッグスおよび電弱測定が、標準模型を超える新しい物理にどの程度感度を持つのかを評価すること。
• 精度の高いヒッグス測定が、電弱重ね合わせ生成やMSSMにおける自然性といった、明確に動機づけられた具体的なBSM状況をどの程度探査できるかを評価すること。
• 有効場理論を用いて、ヒッグスおよび電弱観測量の感度が、同じBSM物理状況をどの程度探査できるかを比較すること。
• 実験的感度をウィルソン係数に定量的に関連させ、それらをBSMモデル内の物理的質量に結びつけること。

提案手法

• 新しい物理を高次元演算子で記述する標準模型有効場理論（SMEFT）フレームワークを用い、カットオフスケール $\Lambda$ で抑制される。
• 重いBSM状態（シングレットスカラーおよびスカラートップ）を統合することで、次元6の演算子のウィルソン係数を計算する。
• ウィルソン係数を測定可能なヒッグス崩壊および生成断面積（$h \to \gamma\gamma$、$h \to gg$、および $\gamma\gamma$-結合定数のずれを含む）に結びつける。
• MSSMにおける $m_{\tilde{t}}$、$X_t$、$\tan\beta$ などのBSMパラメータの解析的表現を用いて、ウィルソン係数を求める。
• 将来の $e^+e^-$衝突機器（ILC、TeraZ）からの実験的感度を、2つのモデルのパラメータ空間に投影する。
• ヒッグス真空期待値および混合効果による質量固有値補正を考慮し、物理的質量が単純な逆ウィルソン係数推定値からどれほどずれるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 木レベルのシングレットスカラーモデルが、1次相転移を可能にする電弱相転移に、精度の高いヒッグスおよび電弱測定がどの程度感度を持つのか。
• RQ2 精度の高いヒッグス測定は、自然性の文脈においてMSSMのスカラートップセクターをどの程度探査できるか。
• RQ3 ヒッグスおよび電弱観測量の感度は、同じBSM物理状況を探査するにあたり、どのように比較できるか。
• RQ4 将来の $e^+e^-$衝突機器（ILC、TeraZ）は、ヒッグス精度測定を用いて、MSSMの自然性領域をどの程度探査できるか。
• RQ5 ヒッグス真空期待値および混合効果による補正は、ウィルソン係数と物理的BSM粒子質量との間のマッピングにどのように影響するか。

主な発見

• 木レベルのシングレットスカラーモデルおよび1ループMSSMスカラートップモデルの両方において、精度の高いヒッグスおよび電弱測定が、新しい物理に同等の感度を持つ。
• ILCおよびTeraZ計画は、$m_{\tilde{t}} \sim 1$ TeVおよび $X_t \sim \sqrt{6}m_{\tilde{t}}$ の自然なMSSM領域を、最小限の微調整に対応する形で探査可能である。
• スカラートップモデルでは、ウィルソン係数が $\mathcal{O}\left(\frac{h_t^2}{(4\pi)^2}\right)$ に達し、$c_{GG} \sim \frac{h_t^2}{(4\pi)^2} \frac{1}{12}$ および $c_{WB} \sim -\frac{h_t^2}{(4\pi)^2} \frac{1}{24}$ となる。これはループレベルの寄与を反映している。
• $h \to \gamma\gamma$ 崩壊断面積には、$\frac{8v^2}{m_{\tilde{t}}^2}(c_{WW} + c_{BB} - c_{WB})$ に比例する補正が入り、これは $m_{\tilde{t}}$ および $X_t$ に敏感である。
• 物理的ストップ質量は、単純な逆ウィルソン係数推定値から $\frac{1}{2}\frac{m_t^2}{m_{\tilde{t}}^2} \max\left(1, \frac{X_t^2}{m_{\tilde{t}}^2}\right)$ のオーダーの補正を受けるため、感度予測においてこれを考慮する必要がある。
• 将来のTeraZ計画は、ILCに比べて大幅に感度が向上し、高精度で自然なMSSMパラメータ空間を探査可能となる。