[논문 리뷰] New Constraints on Extended Higgs Sectors from the Trilinear Higgs Coupling

Henning Bahl, Johannes Braathen외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 현재의 실험적 한계가 두 힉스 이중체 모형(2HDM)의 매개변수 공간에서 이전에 제약가능성이 없었던 큰 영역을 배제하도록 강력한 제약를 가진다는 것을 보여준다. λhhh에 대한 수치적으로 의미 있는 이중-루프 보정을 포함함으로써, 이 연구는 큰 그러나 양자역학적으로 안정적인 뒷세계 물리학(BSM) 힉스 자기상호작용 계수에 의해 유도되는 증폭된 삼중 힉스 상호작용 계수는 기존 데이터로 이미 배제된 표준모형(SM)과의 편차를 초래한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The trilinear Higgs coupling $\lambda_{hhh}$ is crucial for determining the structure of the Higgs potential and for probing possible effects of physics beyond the Standard Model (SM). Focusing on the Two-Higgs-Doublet Model as a concrete example, we identify parameter regions in which $\lambda_{hhh}$ is significantly enhanced with respect to the SM. Taking into account all relevant corrections up to the two-loop level, we show that already current experimental bounds on $\lambda_{hhh}$ rule out significant parts of the parameter space that would otherwise be unconstrained. We illustrate the interpretation of the results on $\lambda_{hhh}$ for a benchmark scenario. Similar results are expected for wide classes of models with extended Higgs sectors.

연구 동기 및 목표

• 확장된 힉스 섹터를 가진 모형에서 현재의 실험적 제약이 삼중 힉스 상호작용(λhhh)에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이전에 제약가능성이 없었던 두 힉스 이중체 모형(2HDM)의 매개변수 공간 영역이 현재의 λhhh 제약으로 인해 배제되는지 조사하는 것.
• 이중-루프 양자 보정이 표준모형(SM) 예측을 초월하여 삼중 힉스 상호작용을 어떻게 증폭시키는지 평가하는 것.
• 표준모형 유사 힉스 보손과 BSM 힉스 보손 간의 큰 삼중 및 사중 상호작용 계수가 λhhh에서 관측 가능한 편차를 초래할 수 있으며, 이러한 편차가 이미 데이터로 배제된다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 2HDM에서 삼중 힉스 상호작용 λhhh에 대한 이중-루프 보정을 효과적 포텐셜 근사법을 통해 계산한다.
• 참고문헌 [31, 32, 34]의 결과를 적용하여, 무거운 BSM 스칼라 및 톰 쿼크 기여를 포함한 일차 및 이중-루프 수준에서 λhhh를 계산한다.
• 톱 쿼크 및 힉스 보손 질량, Z2 대칭 위반 스케일 M에 대해 온-쉘 재규격화 체계를 구현한다.
• 경계 조건으로서 경계 조건 α = β − π/2의 정렬 한계(limit)를 고려하여, 경계 조건에서 표준모형 유사 상호작용 계수를 확보한다.
• LHC 데이터로부터 95% 신뢰수준에서 −0.4 < κλ < 6.3의 실험적 한계를 바탕으로 κλ = λhhh / (λSM_hhh)(0)의 예측값을 비교한다.
• 제약 조건을 교차 확인하고 정밀 힉스 측정의 맥락에서 결과를 해석하기 위해 HiggsSignals 및 HiggsBounds 도구를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 삼중 힉스 상호작용 제약가능성이 이전에 타당성으로 여겨졌던 2HDM 매개변수 공간의 큰 영역을 배제할 수 있는가?
• RQ2 이중-루프 보정이 표준모형(SM) 예측을 초월하여 2HDM에서 삼중 힉스 상호작용을 얼마나 증폭시키는가?
• RQ3 표준모형 유사 힉스 보손과 BSM 힉스 보손 간의 큰 삼중 및 사중 상호작용 계수는 이미 데이터로 배제된 편차를 λhhh에서 초래하는가?
• RQ4 이중-루프 보정을 포함함으로써 확장된 힉스 섹터를 가진 모형에서 λhhh 제약의 해석은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 현재의 삼중 힉스 상호작용 제약(95% 신뢰수준에서 −0.4 < κλ < 6.3)은 이전에 제약가능성이 없었던 2HDM 매개변수 공간의 상당한 부분을 배제한다.
• 특히 표준모형 유사 힉스 보손과 무거운 BSM 힉스 상태 간의 큰 삼중 및 사중 상호작용 계수를 포함한 이중-루프 보정은 표준모형 값보다 상당한 증폭을 유도한다.
• 이중-루프 효과로 인한 λhhh 증폭은 ghhΦΦ = −2(M² − m²Φ)/v² 형태의 큰 그러나 양자역학적으로 안정적인 상호작용 계수에 의해 유도되며, 여기서 Φ ∈ {H, A, H±}이다.
• 정렬 한계에서 경계 조건에서 경계 조건에서 표준모형 유사 상호작용 계수를 갖는 경계 조건에서, 관측된 λhhh의 편차는 주로 루프 보정에 의해 결정되며, 이는 λhhh가 BSM 물리학에 대한 민감한 탐지 수단가 된다.
• 이 연구는 심지어 자기상호작용 계수가 증폭된 모형이라도 기존 데이터가 이전에 상정된 것보다 더 엄격하게 매개변수 공간을 제약한다는 것을 보여준다.
• 유사한 제약은 확장된 힉스 섹터를 가진 다른 모형, 특히 큰 힉스 자기상호작용 계수를 포함하는 모형에도 적용될 것으로 기대된다.