[논문 리뷰] Exploring Extensions of the Scalar Sector of the Standard Model

Najimuddin Khan|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 박사학위논문은 표준모형의 스칼라 섹터를 SU(2)_L 다중구성으로 확장하여 전자약력 진공 안정성과 암흑물질 가능성에 영향을 주는 추가 힉스 보손의 역할을 탐구한다. 이 연구는 유사한 서명을 가진 모델들을 구분하기 위해 공명형태와 위상도를 분석함으로써 벡터 보손 산산이 과정이 모델 간의 차이를 드러내는 데 기여함을 보여주며, Z_2 대칭 하에 새로운 스칼라 장이 전자약력 진공을 안정화하고 우주의 수명을 연장시킬 수 있음을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In this thesis, various extensions of the scalar sector have been considered comprising of different ${SU(2)_L}$ multiplets. If the extended scalar sector participates in the electroweak symmetry breaking then these extra scalars need to couple with the known standard model particles. In this work, it has been shown that the vector boson scattering involving scalar boson exchanges provide a complimentary way to direct search methods to probe into the scalar sector. As different extended scalar sectors have similar types of scalar fields, e.g., an extra $CP$-even Higgs, charged Higgs etc., these new physics models can give rise to the similar types of experimental signatures. It is possible to distinguish between such models at various vector boson scattering processes by looking at the resonances. Also, the shapes of the resonances can provide further insight to the relevant parameter space of these models. As in the SM, the electroweak vacuum is metastable, it is important to explore if an extended scalar has an answer in its reserve. As the scalar weakly interacting massive scalar particles protected by $Z_2$ symmetry can serve as viable dark matter candidates, it is interesting to explore if they help prolong the lifetime of the Universe. The effective Higgs potential gets modified in the presence of these new extra scalars, improving the stability of electroweak vacuum. Such an exercise has been undertaken in various kinds of extended scalar sectors. In order to show the explicit dependence of the electroweak stability on different parameters of these extended sectors, various kinds of phase diagrams have been presented. Graphical demonstrations have been provided to illustrate how the confidence level, at which stability of electroweak vacuum is excluded, depends on such new physics parameters.

연구 동기 및 목표

• 확장된 SU(2)_L 다중구성 스칼라 섹터가 전자약력 진공 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Z_2 대칭 하에 보호되는 약한 상호작용을 하는 거대한 스칼라 입자가 암흑물질 후보로 가능한지 평가하는 것.
• 새로운 스칼라 장이 효과적인 힉스 포텐셜을 어떻게 수정하고 전자약력 진공의 준안정성에 영향을 주는지 규명하는 것.
• 전자약력 진공 안정성이 새로운 물리학 파라미터에 따라 어떻게 달라지는지 보여주는 위상도를 제작하는 것.
• 유사한 실험적 서명을 가진 모델들을 구별하는 데 벡터 보손 산산 과정이 어떻게 기여할 수 있는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 확장된 SU(2)_L 스칼라 섹터에서 유래한 추가 스칼라 다중구성을 포함한 효과적 힉스 포텐셜을 구성하는 것.
• 스칼라 결합 상수의 달라짐과 진공 안정성을 평가하기 위해 재규격화군 방정식을 적용하는 것.
• 특히 산산 과정에서의 공명 구조를 통해 새로운 물리학을 탐지하기 위해 벡터 보손 산산 진폭을 사용하는 것.
• 전자약력 진공이 안정한 영역을 매핑하기 위해 매개변수 공간에서의 위상도를 생성하는 것.
• 유사한 최종 상태를 가진 모델들을 구별하기 위해 벡터 보손 산산에서의 공명형태를 분석하는 것.
• 스칼라 암흑물질 후보를 보호하고 그 천체물리적 영향을 평가하기 위해 Z_2 대칭을 구현하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장된 SU(2)_L 다중구성 스칼라 섹터가 전자약력 진공의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 매개변수 영역에서 새로운 스칼라 장이 전자약력 진공을 안정화시키며, 이는 위상도를 통해 어떻게 시각화될 수 있는가?
• RQ3 유사한 실험적 서명(예: 추가 CP-짝성 힉스 또는 채워진 힉스 보손 포함)을 가진 모델들을 구별하기 위해 벡터 보손 산산 과정이 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ4 Z_2 보호 스칼라 입자가 확장된 스칼라 모델에서 얼마나 유력한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ5 벡터 보손 산산에서의 공명형태는 기저 모델의 매개변수에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 추가 스칼라 다중구성을 포함함으로써 효과적 힉스 포텐셜이 수정되어 다양한 매개변수 영역에서 전자약력 진공의 안정성이 크게 향상됨을 확인함.
• 신규 물리학 매개변수(예: 스칼라 질량과 결합 상수)에 따라 전자약력 진공 안정성이 배제되는 신뢰수준을 보여주는 위상도를 제작함.
• 유사한 최종 상태를 가진 모델들(예: 추가 CP-짝성 또는 채워진 힉스 보손 포함)을 구별하기 위해, 벡터 보손 산산 과정에서의 공명형태가 특징적인 서명으로 기능함을 입증함.
• Z_2 대칭을 가진 스칼라 입자가 암흑물질 후보로 적합하며, 이들의 존재가 전자약력 진공을 안정화시켜 우주의 수명을 연장시킴을 입증함.
• 직접 탐색과의 보완적 탐사 수 Mittel로써, 벡터 보손 산산이 새로운 스칼라 상태와 연결된 공명 구조를 식별하는 데 특히 효과적임을 밝혀냄.
• 명시적인 수치적 결과를 통해 새로운 스칼라 장이 도입될 경우, 특히 적절한 결합 상수와 질량 척도를 가질 경우 매개변수 공간의 광범위한 영역에서 진공 안정성이 유지됨을 확인함.