[논문 리뷰] Effective Theory of Higgs Sector Vacuum States

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 확장에서 무거운 전자약 싱เก트론 또는 듀블릿을 가진 힉스 섹터 진공 상태를 체계적으로 기술하기 위해 효과적 필드 이론(EFT) 프레임워크를 개발한다. 연산자를 차원이 아닌 무거운 질량 스케일의 거듭제곱에 따라 정렬함으로써, 힉스 결합의 주요 수정을 규명한다 — 싱게트론 모델에서는 모든 SM 유사 힉스 상호작용이 약화되고, 듀블릿 모델에서는 더 풍부한 위상 의존성 T-반전 및 풍미 위반 효과가 가능해지며, 이는 EFT와 혼합 기반 기술 간의 일致성을 확보한다. 특히 온-shell 산란 진폭에 대해.

ABSTRACT

The effective field theory description for modifications of Standard Model-like Higgs boson interactions arising from tree-level mixing with heavy Higgs sector vacuum states without conserved quantum numbers is presented. An expansion in terms of effective operator dimension based on powers of the heavy mass scale rather than operator dimension is utilized to systematically organize interactions within the effective theory. Vacuum states arising from electroweak singlet extensions of the Higgs sector yield at leading order only two effective dimension-six operators. One of these uniformly dilutes all the interactions of a single physical Higgs boson as compared with Standard Model expectations, while the combination of the two operators give more general modifications of all remaining interactions with two or more physical Higgs bosons. Vacuum states arising from an additional electroweak doublet yield three types of effective dimension-six operators that modify physical Higgs boson couplings to fermion pairs, self-couplings, and introduce four-fermion interactions. However, in this case modification of physical Higgs boson interactions with massive gauge bosons arise at leading order only from three effective dimension-eight operators. If the underlying Yukawa couplings of the additional electroweak doublet satisfy the Glashow-Weinberg condition then time reversal violation at effective dimension-six depends on a single universal phase appearing only in couplings of physical Higgs bosons to fermion pairs. In all cases the couplings of any three physical states in the effective theory description must be equal to those in a unitary mixing description in order for the long distance non-analytic components of physical on-shell scattering amplitudes to agree, while in contrast couplings of four or more physical states in general differ due to short distance effects.

연구 동기 및 목표

• 확장된 힉스 섹터에서 무거운 진공 상태를 가진 표준모형 힉스 결합의 편차를 체계적으로 정리하기 위해.
• 연산자 차원이 아닌 무거운 질량 스케일의 거듭제곱에 따른 전개를 사용하는 효과적 필드 이론(EFT) 프레임워크를 개발하기 위해.
• 싱게트론 및 듀블릿 확장에서 힉스 결합, 자기상호작용, 풍미 위반, 시간역전 위반에 대한 주요 차수의 효과적 연산자를 규명하고 분류하기 위해.
• 특히 삼체 과정에 대해, 온-shell 산란 진폭에 대해 EFT와 혼합 기반 기술 간의 일致성을 확립하기 위해.
• 두 힉스 듀블릿 모델(2HDM)에서 시간역전 위반과 풍미 위반을 지배하는 유일한 위상 인자들을 분리하기 위해, 특히 Glashow-Weinberg 조건 하에서.

제안 방법

• 무거운 SU(2) 싱게트론 또는 듀블릿을 딱딱한 분리한 근사에서 윌슨리안 저에너지 효과적 이론을 구성하기 위해.
• 무거운 질량 스케일의 거듭제곱에 따라 연산자를 정렬함으로써, 무거운 질량 스케일 전개를 사용하여 상호작용을 체계적으로 분류하기 위해.
• 싱게트론 및 듀블릿 모델에서 힉스가 게이지 보손, 페르미온, 자기상호작용과 상호작용하는 효과적 차수 6 및 차수 8 연산자를 유도하기 위해.
• 장거리 진폭 제약 조건에 따라, 삼중 힉스 결합은 EFT와 혼합 기반 기술 간에 일치해야 한다는 것을 규명하기 위해.
• 2HDM에서 Glashow-Weinberg 조건 하에서, 페르미온 결합에서 유일한 위상 인자로 시간역전 위반을 분석하기 위해.
• 2HDM EFT에서 4-페르미온 연산자와 풍미 위반 힉스 결합을 유도하기 위해, 결과는 tanβ에 의존하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장된 모델에서 힉스 섹터 진공 상태의 현상학은 혼합 기저를 초월해 어떻게 체계적으로 정리될 수 있는가?
• RQ2 보존되는 양자수를 갖지 않는 중량 힉스 상태를 가진 모델에서 효과적 연산자의 전개 파라미터로 올바른 것은 무엇인가?
• RQ3 삼점 함수에 대해서는 일치하나, 사점 함수에 대해서는 EFT와 혼합 기반 기술 간에 힉스 결합 기술이 다른 이유는 무엇인가?
• RQ4 싱게트론 및 듀블릿 확장에서 힉스가 게이지 보손과 페르미온과 상호작용하는 데 대한 주요 차수 수정은 무엇인가?
• RQ5 2HDM EFT에서 시간역전 위반은 어떻게 표현되며, T-반전 과정에서 유일한 위상 인자를 결정짓는 매개변수들은 무엇인가?

주요 결과

• 싱게트론 힉스 모델에서는 주요 차수에서 두 개의 효과적 차수 6 연산자만 나타난다: 하나는 모든 SM 유사 힉스 상호작용을 균일하게 재조정하고, 다른 하나는 다중 힉스 상호작용의 일반적 수정을 허용한다.
• 두 힉스 듀블릿 모델(2HDM)에서는 힉스-페르미온 상호작용, 자기상호작용, 4-페르미온 상호작용을 수정하는 세 종류의 차수 6 연산자가 존재하며, 게이지 보손 상호작용은 오직 차수 8에서 수정된다.
• EFT에서 세 개의 물리적 힉스 상태의 상호작용은 장거리 비해석적 행동을 유지하기 위해 혼합 기반 기술과 일치해야 한다.
• 네 개 이상의 물리적 상태가 존재할 경우, 단거리 효과로 인해 EFT와 혼합 기반 기술 간의 직접 비교가 무효해진다.
• Glashow-Weinberg 조건 하에서 2HDM에서는 차수 6에서의 시간역전 위반은 유일한 위상 인자에 의해 결정되며, 이는 오직 힉스-페르미온 결합에서만 나타난다.
• 2HDM EFT에서의 풍미 위반 효과는 전적으로 차수 6의 4-페르미온 연산자와 힉스-요카와 결합에 의해 완전히 기술되며, 결과는 tanβ에 영향을 받지 않으며, EDM과 풍미 비정상성에 의해 제약을 받는다.