[논문 리뷰] Higgs sectors with exotic scalar fields

Kei Yagyu|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이so스핀 표현에서 더 높은 표현(예: 삼중항, 4중항, 7중항)을 갖는 이색 스칼라 필드를 포함한 힉스 섹터를 조사하며, 주로 힉스 삼중항 모형(HTM)을 중심 예시로 삼는다. 이 모형들은 수준에서의 ρ 파라미터의 변화, 새로운 $H^\pm W^\mp Z$ 상호작용, 강화된 $hVV$ 쿠플링, 그리고 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손의 동일전하 이론 레프톤 붕괴와 같은 특징적인 충돌기 서명을 예측한다. 특히 $H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$ 채널은 LHC에서의 핵심 탐지 수단이 된다.

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson like particle with the mass of around 126 GeV has given us a great clue to know what is the true Higgs sector. New physics models at the TeV scale often introduce Higgs sectors extended from the minimal form, so that the determination of the Higgs sector can be a probe of new physics models. In this talk, we focus on the Higgs sector with exotic representation fields whose isospin is larger than 1/2. We first discuss the general features of exotic Higgs sectors, and then we consider several concrete models to clarify them. The phenomenology of the Higgs triplet model is discussed as the simple but important example.

연구 동기 및 목표

• 이소스핀 > 1/2인 이색 스칼라 필드로 확장된 힉스 섹터의 현상학적 특성 조사
• 이러한 이색 힉스 섹터의 대표적 예시인 힉스 삼중항 모형(HTM) 분석
• 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손($H^{\pm\pm}$)의 특징적인 충돌기 서명(예: 동일전하 이론 레프톤 붕괴 및 이보존 붕괴) 규명
• 특히 $h\to\gamma\gamma$, $hVV$, $hhh$에 대한 SM 유사 힉스 보손 쿠플링의 루프 유도 수정을 통한 HTM 간접 탐지 탐색
• 힉스 쿠플링의 변화와 진공 안정성 및 유니타리티 제약 간의 상관관계 수립

제안 방법

• 이소스핀 $T_i$와 하이퍼초전하 $Y_i$를 갖는 $N$개의 다중체로 구성된 일반적인 힉스 섹터에 대한 수학적 체계 수립. 진공 기대값(VEVs)과 질량 스펙트럼은 스칼라 포텐셜에서 유도된다.
• 힉스 삼중항 모형(HTM)을 심층적으로 분석. 전자약 상전이에서의 수준에서의 전기약력 ρ 파라미터 붕괴 및 물리적 힉스 질량 스펙트럼의 구조 분석.
• 이중적으로 양전하를 띤 힉스($H^{\pm\pm}, H^{\pm}$)의 질량 스펙트럼을 삼중항 VEV $v_\Delta$와 4차 상호작용 계수 $\lambda_4, \lambda_5$의 함수로 유도. 질량 순서는 $\lambda_5$ 값에 따라 달라진다.
• 4개의 서로 다른 질량 영역에서 $H^{\pm\pm}$의 붕괴 분율을 계산. 주요 붕괴 모드는: 영역 I(ℓ^±ℓ^±), 영역 II(W^±W^±), 영역 III(H^±W^{±*} → b\bar{b}W^{±*}W^{\pm*}), 영역 IV(ℓ^±ℓ^±ℓ^±ℓ^±).
• HTM에서 $h\to\gamma\gamma$, $hVV$, $hhh$ 상호작용의 1-루프 수정 계산. 물리적 관측량에 대한 재정규화 및 매칭 고려.
• 힉스 쿠플링 변화 간의 상관관계 정량화. 특히 $h\to\gamma\gamma$ rate에 $+30\%$ 또는 $-40\%$ 변화가 있을 경우 $hVV$ 및 $hhh$ 쿠플링의 변화 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이소스핀 > 1/2인 이색 힉스 섹터는 수준에서 전자약력 ρ 파라미터에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 힉스 삼중항 모형에서 이중적으로 양전하를 띤 힉스 보손($H^{\pm\pm}$)의 특징적인 충돌기 서명은 무엇이며, 질량과 상호작용 계수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 HTM에서 $H^{\pm\pm}$ 및 $H^{\pm}$의 루프 효과로 인해 $h\to\gamma\gamma$ 붕괴 확률이 크게 변화할 수 있으며, 이러한 변화는 다른 힉스 쿠플링과 어떻게 상관관계를 맺는가?
• RQ4 진공 안정성과 양자역학적 유니타리티 제약은 HTM의 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하며, 이를 통해 힉스 쿠플링의 允許된 변화 범위는 어떻게 결정되는가?
• RQ5 HTM에서 $H^{\pm\pm}$의 질량 순서와 붕괴 패atters는 매개변수 공간의 서로 다른 영역을 어떻게 구분하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• HTM는 전자약력 ρ 파라미터가 1에서 벗어나는 수준에서의 변화를 예측하며, 이는 실험 데이터에 의해 삼중항 VEV $v_\Delta \lesssim 10^{-2}$ GeV로 제한된다.
• 이색 힉스 섹터에서는 수준에서 $H^\pm W^\mp Z$ 상호작용가 존재하며, 이는 표준모형에 존재하지 않는 고유한 서명을 제공한다.
• HTM에서 $hVV$ 쿠플링($V = W, Z$)은 삼중항이 힉스 포털에 기여할 경우 표준모형 값보다 강화될 수 있다.
• 영역 I에서 $H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$ 붕괴 모드는 직접 탐지에 가장 유망하지만, $m_{H^{\pm\pm}} \lesssim 400$ GeV일 경우 LHC 데이터로 이미 배제되어 있다.
• 질량이 약 180 GeV일 경우, $H^{\pm\pm} \to W^\pm W^\pm$ 모드는 8 TeV에서 10 fb$^{-1}$의 통합 루멘시티로 5$\sigma$ 검출이 가능하다.
• $h\to\gamma\gamma$ 비율에 $+30\%$ 변화가 있을 경우, $hVV$ 상호작용에 $-0.1\%$ 변화, $hhh$ 상호작용에 $-10\%$ 변화가 예측되며, 이는 진공 안정성과 유니타리티 제약과 일치하는 강한 상관관계를 보인다.