[논문 리뷰] Benchmarks for Higgs Effective Theory: Extended Higgs Sectors

Martin Gorbahn, José Miguel No외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 65인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 힉스 양자장 이론(Higgs Effective Field Theory, HEFT)의 타당성을 평가하기 위해 단일 스칼라, 딜라톤, 2HDMs를 벤치마크 모델로 제안한다. 이들 UV 완전 모델을 차원-6 EFT 연산자에 매칭시켜 고에너지 LHC 운동역학 영역에서 EFT의 붕괴를 정량화하고, 힉스 신호 강도와 전자기약 상호작용 관측치에서의 제약 조건이 윌슨 계수 간의 모델 특화 상관관계에 의해 결정됨을 보여준다.

ABSTRACT

Precise measurements of SM particles properties at the LHC allows to look for heavy New Physics in the context of an Effective Field Theory (EFT). These searches, however, often rely on kinematic regions where the validity of the EFT may be compromised. In this paper we propose to address this issue by comparing with benchmark models. The connection between models and their manifestations as EFTs at low energies allows us to quantify the breakdown of the EFT, and describe ways to combine different sources of constraints beyond Higgs physics. To illustrate these techniques, in this paper we propose a set of benchmark models based on extensions of the Higgs sector, namely the inclusion of a singlet, a dilaton and generic 2HDMs. We obtain the matching between these models and the EFT involving the Higgs, electroweak bosons and fermions. We then describe current and future indirect and direct constraints, consider the effect of correlations among the coefficients within models, and discuss the validity of the EFT.

연구 동기 및 목표

• EFT 제약 조건이 EFT가 붕괴할 수 있는 고에너지 LHC 영역에서의 신뢰성 문제를 다루는 것.
• 확장된 힉스 섹터의 UV 완전 모델과 EFT 예측을 체계적으로 비교할 수 있는 프레임워크를 수립하는 것.
• EFT 윌슨 계수 간의 모델 특화 상관관계가 LHC와 전자기약 정밀 관측치로부터의 간접 및 직접 제약 조건에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 특히 고에너지 신호 분포가 지배하는 운동역학 영역에서, 무거운 새로운 물리가 존재하는 경우 EFT의 타당성을 평가하는 것.
• 앞으로의 LHC 분석을 위한 기준 도구를 제공하기 위해, EFT 계수를 명확한 물리적 서명을 지닌 구체적 UV 모델과 연결하는 것.

제안 방법

• 확장된 힉스 섹터의 실현으로서 단일 스칼라, 라디온/딜라톤, 일반 2HDMs를 포함하는 UV 완전 모델의 집합을 구성한다.
• 이들 UV 모델과 힉스, 게이지 보손, 페르미온을 포함하는 차원-6 EFT 라그랑지안 간의 매칭을 수행하여 윌슨 계수를 유도한다.
• 매칭 결과를 바탕으로 모델 매개변수인 $\tilde{\tau}_3$, $\tilde{\tau}_4$, $\tilde{\tau}_5$, $m_{H^\pm}$ 등에 따라 기저 이상의 힉스 결합(예: $g^{(1)}_{hWW}$, $g^{(3)}_{hWW}$)을 계산한다.
• 물리적 질량과 결합 상수에 따라 $\bar{c}_\gamma$, $\bar{c}_W$, $\bar{c}_B$, $\bar{c}_T$ 등의 EFT 계수에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• LHC 신호 강도, 전자기약 정밀 관측치, 운동역학 분포로부터의 현재 및 향후 제약 조건을 분석한다.
• 특히 EFT가 실패할 수 있는 고에너지 영역에서 EFT 예측과 전체 UV 모델 결과를 비교함으로써 EFT의 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EFT 제약 조건이 고에너지 LHC 운동역학 영역에서 차원-6 연산자에 대해 어느 정도 붕괴하는가?
• RQ2 윌슨 계수 간의 모델 특화 상관관계가 EFT 프레임워크 내에서 LHC 데이터 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 스칼라, 딜라톤, 또는 2HDM과 같은 벤치마크 모델이 EFT 예측의 타당성을 테스트하기 위해 신뢰할 수 있는 UV 완전성으로 작용할 수 있는가?
• RQ4 새로운 물리의 질량(예: $m_{H^\pm}$)이 EFT 내 기저 이상의 힉스 결합 크기에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ5 2HDM에서 $\tilde{\lambda}_4$ 및 $\tilde{\lambda}_5$ 매개변수에 따라 $g^{(3)}_{hWW}$ 및 $g^{(3)}_{hZZ}$ 의 EFT 예측은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• EFT 계수 $\bar{c}_\gamma = \frac{m_W^2 \tilde{\lambda}_3}{256\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ 는 삼중 힉스 결합 $g_{hH^+H^-}$ 에 비례하며, 이를 통해 음성 힉스 질량과 $\tilde{\lambda}_3$ 매개변수에 직접 연결된다.
• 계수 $\bar{c}_T = (\tilde{\lambda}_4^2 - \tilde{\lambda}_5^2) \frac{v^2}{192\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ 는 $hWW$ 와 $hZZ$ 의 텐서형 결합을 기술하며, 4차 상호작용 계수의 차이에 민감함을 보여준다.
• 계수 $g^{(2,4-6)}_{hVV}$ 는 $\mathcal{O}[(1-x_0)^2, (1-x_A)^2]$ 에 의해 억제되며, 이는 $D=8$ 연산자에서만 기인하고 고에너지 새로운 스칼라에서의 극한에서 무시 가능하다는 것을 의미한다.
• $g^{(3)}_{hWW}$ 와 $g^{(3)}_{hZZ}$ 는 $\tilde{\lambda}_4 \pm \tilde{\lambda}_5$ 에 민감하며, $g^{(3)}_{hWW} \sim \frac{g^2 v}{192\pi^2} \left[(1-x_0)(\tilde{\lambda}_4 + \tilde{\lambda}_5) + (1-x_A)(\tilde{\lambda}_4 - \tilde{\lambda}_5) \right]$ 로 표현된다.
• 매칭을 통해 유도된 EFT 계수 $\bar{c}_W - \bar{c}_B = -\frac{8}{3} \bar{c}_\gamma$ 는 모든 모델에서 공통되는 관계를 보이며, 이는 보편적인 성질을 나타낸다.
• 고에너지 영역에서 EFT의 붕괴는 EFT 예측과 전체 UV 모델 결과를 비교함으로써 정량화되었으며, 새로운 물리 스케일이 측정 에너지 스케일에 비해 충분히 무거운 경우가 아니라면 EFT 제약 조건이 오해의 소지가 있음을 드러냈다.