[논문 리뷰] A log story short: running contributions to radiative Higgs decays in the SMEFT

Christophe Grojean, Guilherme Guedes외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 표준모형효효론이론(SMEFT)에서 차원 여덟에서 복사형 힉스 붕괴(h→γZ, h→γγ, h→gg)를 조사하며, 나무계층 UV 완성에서 차원 여덟의 h→γZ 붕괴가 중력장의 양자역학적 효과로 인해 유의미한 정규화군(RG) 실행 기여를 받는다는 점을 입증한다. 이는 차원 여섯에서는 그렇지 않다. h→γZ에서 RG 혼합으로 인한 로그 증폭이 발생하며, 이를 감지하기 위한 새로운 관측량을 제안하고, 향후 세대의 실험들이 이러한 차원 여덟 효과를 탐지할 수 있음을 보여준다. 이는 고에너지 스케일에서 새로운 물리학의 구조를 드러낸다.

ABSTRACT

We investigate the renormalization of the radiative decays of the Higgs to two gauge bosons in the Standard Model Effective Field Theory at mass dimension eight. Given that these are loop-level processes, their one-loop renormalization can be phenomenologically important when triggered by operators generated through the tree-level exchange of heavy particles (assuming a weakly coupled UV model). By computing the tree-level matching conditions of all relevant extensions of the Standard Model, we demonstrate that this effect is indeed present in the $h o γZ$ decay at dimension eight, even though it is absent at dimension six. In contrast, the $h o gg$ and $h o γγ$ decays can only be renormalized by operators generated by one-loop processes. For UV models with heavy vectors, this conclusion hinges on the specific form of their interaction with massless gauge bosons which is required for perturbative unitarity. We study the quantitative impact of the possible logarithmic enhancement of $h o γZ$, and we propose an observable to boost the sensitivity to this effect. Given the expected increased precision of next-generation high-energy experiments, this dimension-eight contribution could be large enough to be probed and could therefore give valuable clues about new physics by revealing some of its structural features manifesting first at dimension eight.

연구 동기 및 목표

• SMEFT에서 차원 여덟에서 복사형 힉스 붕괴의 정규화군(RG) 실행을 조사하는 것.
• 나무계층 UV 완성이 h→γZ, h→γγ, h→gg 붕괴에 기여하는 차원 여덟 연산자를 생성할 수 있는지 확인하는 것.
• h→γZ에서 RG 혼합으로 인한 로그 증폭의 영향을 정량화하고, 그 현상학적 탐지 가능성 평가하는 것.
• 향후 고에너지 실험에서 차원 여덟 기여를 감지하기 위해 감도를 높이기 위한 새로운 관측량을 제안하는 것.

제안 방법

• SMEFT에서 차원 여덟에서 복사형 힉스 붕괴의 1-루프 정규화군(RG) 분석을 수행한다.
• 모든 관련 SMEFT 확장에 대한 나무계층 매칭 조건을 계산하여 차원 여덟 연산자의 UV 기원을 규명한다.
• 차원 여섯과 차원 여덟 연산자 간의 RG 혼합을 분석하며, Λ에서 v까지의 실행으로 인한 로그 증폭에 초점을 맞춘다.
• 약한 결합 UV 모델(스칼라 삼중항 모델)을 구성함으로써 상향식 접근법을 사용하여 h→γZ 진폭을 계산하고 RG 효과를 검증한다.
• 단위계 가우스 및 파인먼 규칙을 적용하여 무거운 스칼라와 게이지 보손을 포함한 루프 진폭을 계산하며, 이중로그 적분을 포함한다.
• h→γZ에서 RG로 증폭된 차원 여덟 기여를 감지하기 위한 운동학적 관측량을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나무계층 UV 완성이 SMEFT에서 1-루프 수준에서 h→γZ에 기여하는 차원 여덟 연산자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 차원 여섯과 유사한 연산자 구조를 가짐에도 불구하고, 왜 h→γZ에서 차원 여덟에서는 RG 실행 효과가 존재하고, 차원 여섯에서는 존재하지 않는가?
• RQ3 차원 여덟 연산자의 RG 혼합으로 인해 h→γZ에서 발생하는 로그 증폭의 정량적 크기는 얼마인가?
• RQ4 특히 쿠스티달 대칭과 양자역학적 단위성에 기인한 UV 상호작용의 구조는 차원 여덟 기여의 크기를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 향후 실험에서 이러한 차원 여덟 RG 효과를 감지하기 위해 새로운 운동학적 관측량을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• h→γZ 붕괴는 나무계층 UV 교환을 통해 생성된 차원 여덟 연산자로부터 중력장의 양자역학적 효과로 인해 유의미한 RG 실행 기여를 받는다. 이는 차원 여섯에서는 존재하지 않는 특성이다.
• h→γZ에서의 로그 증폭은 차원 여섯과 차원 여덟의 유효 연산자 간의 RG 혼합으로 발생하며, v⁴/Λ⁴ × log(v/Λ)의 척도를 가지며, 향후 세대 실험에서 탐지 가능한 정도로 클 수 있다.
• 무거운 보손을 가진 UV 모델의 경우, 이 효과는 질량이 없는 게이지 보손과의 상호작용 구조에 따라 결정되며, 양자역학적 단위성을 유지하는 데 핵심적이다.
• h→γγ 및 h→gg 붕괴는 차원 여덟에서 나무계층 UV 완성으로는 정규화될 수 없으며, 1-루프 수준에서 연산자가 생성되어야 한다.
• 스칼라 삼중항 모델의 실현은 RG 효과를 확인하고 기존 결과를 재현함으로써 프레임워크의 타당성을 검증한다.
• 차원 여덟 기여를 감지하기 위한 새로운 운동학적 관측량이 제안되었으며, 이는 유효계수가 작더라도 감도를 높여 탐지 가능하게 한다.