[論文レビュー] What if $\lambda_{hhh} eq 3m_h^2/v$

Aielet Efrati, Yosef Nir|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、標準模型予測値 $3m_h^2/v$ からのヒッグス三重項自己結合定数 $\lambda_{hhh}$ のずれが、電弱対称性の spontaneously broken 段階における新しい物理をどのように示すかを調査している。特に $\lambda_{hVV}$ の測定と組み合わせることで、このようなずれは、ヒッグス自己結合定数の相対的変動 $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ を通じて、シングレット-ダブルレット混合、2つのヒッグスダブルレットモデル、有効場理論のシナリオなど、さまざまなニューサイエンスモデルを明確に区別できる。

ABSTRACT

A measurement of the Higgs trilinear self coupling $\\lambda_{hhh}$ will test the Standard Model Higgs potential. But can it reveal information that cannot be learned otherwise? By analyzing several simple extensions of the Standard Model scalar sector we show that this measurement might give a first hint for New Physics modifying the electroweak symmetry breaking. Combining the measurements of $\\lambda_{hhh}$ and $\\lambda_{hVV}$ ($V=W,Z$) is particularly powerful in distinguishing between various models of New Physics and in providing unique information on these models.

研究の動機と目的

• 測定されたヒッグス三重項自己結合定数 $\lambda_{hhh}$ が標準模型の予測値 $3m_h^2/v$ からずれている場合、それが直接探索では捉えきれない新しい物理を示すかどうかを特定すること。
• $\lambda_{hhh}$ と $\lambda_{hVV}$ の測定を組み合わせることで、さまざまなニューサイエンスモデルを区別する能力がどのように向上するかを調査すること。
• $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ の比に現れる、モデルに依存しない特徴的なシグネチャを同定し、新しい物理のスケールと構造を制約すること。
• $\lambda_{hVV}$ と $\lambda_{hff}$ が標準模型に近いまま $\lambda_{hhh}$ のみにずれが生じる場合、その背後にあるニューサイエンス機構が何を示唆するかを検討すること。

提案手法

• ゲージシングレット、追加のヒッグスダブルレット、$SU(2)_W$ トリプレットを含む、さまざまなニューサイエンスモデルのデカップリング限界を分析する。
• 樹形レベルの有効ラグランジアンを用いて、標準模型予測値からのずれ $\delta\lambda_{hhh}$, $\delta\lambda_{hVV}$, $\delta\lambda_{hff}$ を計算する。
• 相対的ずれを比較できるように、$\delta\lambda_{hhh} = \lambda_{hhh}/\lambda_{hhh}^{\rm SM} - 1$ と同様に $\lambda_{hVV}$ に対しても定義する。
• さまざまなモデルにおいて $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ の比を評価し、モデルに依存しないパターンを同定する。
• トップクォークのループ補正を含め、他の寄与を無視することで、ニューサイエンスの寄与を明確に分離する。
• 次元6の有効演算子 $(\Phi^\dagger\Phi)^3$ を用いた有効場理論の極限を検討し、$\delta\lambda_{hVV} = 0$ かつ $\delta\lambda_{hhh} \propto v^4/(\Lambda^2 m_h^2)$ を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\lambda_{hhh}$ の測定が、直接探索や他のヒッグス結合定数では捉えきれない新しい物理を明らかにできるか？
• RQ2 $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ の比が、ヒッグス系におけるニューサイエンスの構造について何を特徴づけるか？
• RQ3 シングレット-ダブルレット混合や2ヒッグスダブルレットモデルなどの異なるニューサイエンスモデルが、$\delta\lambda_{hhh}$ と $\delta\lambda_{hVV}$ にどのように異なるパターンを予測するか？
• RQ4 $\lambda_{hVV}$ や $\lambda_{hff}$ に顕著な変化がないまま $\lambda_{hhh}$ のみにずれが生じる場合、その背後にあるニューサイエンス機構はどのような意味を持つのか？
• RQ5 有効場理論のシナリオにおいて、$\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ の比を用いて新しい物理のスケールを推定できるか？

主な発見

• シングレット-ダブルレット混合モデルでは、$\delta\lambda_{hhh} \simeq 3\delta\lambda_{hVV}$ であり、$\delta\lambda_{hVV} \simeq \delta\lambda_{hff}$ であるため、一貫したずれのパターンが得られる。
• ジョルジ-マハチェクモデルの $s_\alpha$ が小さい極限では、$\delta\lambda_{hhh} \simeq \delta\lambda_{hff} \simeq -\delta\lambda_{hVV}$ となり、特徴的な負の相関が現れる。
• 2ヒッグスダブルレットモデルでは、$\delta\lambda_{hhh} \gg \delta\lambda_{hVV}$ であり、比 $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV} \simeq 4m_A^2/m_h^2$ により、質量スケールを特定できる。
• $\delta\lambda_{hVV} = 0$ だが $\delta\lambda_{hhh} \neq 0$ である場合、そのずれは次元6の演算子 $(\Phi^\dagger\Phi)^3$ によって最もよく説明され、$\delta\lambda_{hhh} \propto v^4/(\Lambda^2 m_h^2)$ となる。
• $\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV}$ の比はしばしば1より大きくなり、多くのモデルにおいて $\lambda_{hhh}$ が $\lambda_{hVV}$ よりもニューサイエンスに敏感であることを示している。
• 有効場理論の極限では、$\delta\lambda_{hhh}/\delta\lambda_{hVV} \to \infty$ となり、$\lambda_{hVV}$ が標準模型に近い場合、$\lambda_{hhh}$ がそのようなニューサイエンスを唯一のプローブとして提供する。