[논문 리뷰] Implications of the discovery of a Higgs boson with a mass of 125 GeV

Dario Buttazzo|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 페르미 스케일에서의 물리학에 대해 125 GeV 힉스 보손 발견의 영향을 분석하며, 초대칭, 복합 힉스 모형, 표준모형에서의 자연성의 함의를 다룬다. 두 번째 순서의 진공 안정성 기준을 유도하고, 근처 임계값에 도달한 힉스 쿼아틱 상호작용 상수가 안정성의 약한 상태를 시사하며, 전자약력 및 플랑크 스케일 물리학을 연결한다.

ABSTRACT

The rather precise knowledge of the mass of the Higgs boson and of its couplings has important consequences for the physical phenomena taking place at the Fermi scale. We analyze some of these implications in the most motivated frameworks for physics at that energies - supersymmetry, models of a composite Higgs boson, and the Standard Model itself. At the same time, precision experiments in flavour physics require a highly non-generic structure of flavour and CP transitions. In any model of electroweak symmetry breaking with a relatively low scale of new phenomena, as motivated by naturalness, some mechanism has to be found in order to keep unwanted flavour effects under control. We devote particular attention to the consequences of the approximate U(2)^3 symmetry exhibited by the quarks of the Standard Model. The combined analysis of the indirect constraints from flavour, Higgs and electroweak physics will allow us to outline a picture of some most natural models of physics near the Fermi scale. Although non trivially, a few models emerge that look capable of accommodating a 125 GeV Higgs boson, consistently with all the other constraints, with new particles in an interesting range for discovery at the LHC, as well as associated flavour signals. This is particularly interesting in view of the forthcoming improvements in the direct experimental investigation of that energies. Finally, the measurement of the last parameter of the Standard Model - the Higgs quartic coupling - has important consequences even if no new physics is present close to the Fermi scale: its near-critical value, which puts the electroweak vacuum in a metastable state close to a phase transition, may have an interesting connection with Planck-scale physics. We derive the bound for electroweak vacuum stability with full two-loop precision, and explore some possible implication of near-criticality.

연구 동기 및 목표

• 전자약력 대칭 깨짐 모형, 특히 초대칭 및 복합 힉스 시나리오에 대해 125 GeV 힉스 보손의 함의를 평가하는 것.
• 페르미 스케일에서의 새로운 물리학에 대한 풍미 및 CP 물리학의 제약 조건을 탐색하며, 쿼크 부문에서의 근사 U(2)^3 대칭의 역할을 강조하는 것.
• 진공 안정성에 대한 두 번째 순서 정밀도 기준을 유도하여 전자약력 진공의 잠재적 안정성의 성격을 평가하는 것.
• 125 GeV 힉스를 수용하면서 간접적 제약 조건을 만족하고 LHC에서 발견 가능한 새로운 물리학을 예측할 수 있는 타당한 모형을 식별하는 것.
• 근처 임계값에 도달한 힉스 쿼아틱 상호작용 상수와 플랑크 스케일 물리학 사이의 연결 고리를 고찰하는 것, 특히 진공의 잠재적 안정성의 맥락에서.

제안 방법

• 완전한 QCD 및 양자수축 보정을 포함하여 두 번째 순서의 양자군 방정식을 사용하여 효과적인 힉스 쿼아틱 상호작용 상수를 계산한다.
• Mt에서 h 스케일까지의 상호작용 상수의 변화를 위해 비례 상수 γ(μ)를 적용하여 로그 보정을 재수렴한다.
• 큰 로그를 재수렴하기 위해 지수적 재수렴을 통해 효과적인 상호작용 상수 λ_eff(h)를 유도한다: μ = h에서 a_eff(h) = e^{4Γ(h)}[λ + λ_eff^{(1)} + λ_eff^{(2)}].
• 완전한 두 번째 순서 β-함수와 다이로그 함수를 사용하여 일차 및 이차 보정 λ_eff^{(1)} 및 λ_eff^{(2)}을 평가한다.
• 두 번째 순서 효과적 포텐셜 계산에서 톰 쿼크, 게이지 보손, 힉스 자기상호작용 기여를 포함한다.
• 완전한 두 번째 순서 효과적 포텐셜을 사용하여 전자약력 진공의 안정성 기준을 결정하며, 비추상적 보정을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 125 GeV 힉스 보손은 초대칭 및 복합 힉스 모형에서 자연성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ2 근사 U(2)^3 대칭은 페르미 스케일에서 새로운 물리학을 수반하는 모형에서 맛 변화가 없는 중성자 상호작용을 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 두 번째 순서 정밀도 기준은 힉스 쿼아틱 상호작용 상수에 대해 어떤가? 그리고 이는 진공 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 125 GeV 힉스를 수용하면서도 풍미, 전자약력, 힉스 정밀도 데이터를 모두 만족시키며 LHC에서 발견 가능한 입자를 예측할 수 있는 모형은 존재하는가?
• RQ5 근처 임계값에 도달한 힉스 쿼아틱 상호작용 상수와 플랑크 스케일 물리학 사이의 연결 고리는 무엇인가?

주요 결과

• 관측된 125 GeV 힉스 질량은 최소 초대칭 표준모형에서 상당한 미세조정을 요구하며, 추가 스칼라 싱เก트론을 포함하는 더 복잡한 모형인 NMSSM를 선호한다.
• 두 번째 순서 효과적 포텐셜 계산은 전자약력 진공이 잠재적으로 안정된다는 것을 보여주며, 이는 힉스 쿼아틱 상호작용 상수가 안정성과 불안정성 사이를 나누는 임계값 근처에 있음을 시사한다.
• 비례 상수 재수렴 및 다이로그 보정을 포함하여 완전한 두 번째 순서 정밀도로 효과적인 상호작용 상수 λ_eff(h)를 계산하였다.
• 간접 측정에서 유도된 풍미 제약 조건은 매우 비일반적인 풍미 및 CP 전이의 구조를 요구하며, 이는 근사 U(2)^3 대칭을 가진 모형에서 자연스럽게 실현된다.
• 근처 임계값에 도달한 힉스 상호작용 상수는 플랑크 스케일 물리학과의 가능성을 시사하며, 진공 붕괴 확률은 쿼아틱 상호작용 상수의 정확한 값에 민감하게 의존한다.
• 특히 복합 힉스 또는 확장된 스칼라 부문을 포함하는 몇몇 모형들은 모든 현재 제약 조건을 만족하면서도 125 GeV 힉스를 수용할 수 있으며, LHC에서 발견 가능한 서명을 예측할 수 있다.