[논문 리뷰] Phenomenology and Theory of Possible Light Higgs Bosons

Gordon Kane, Brent Nelson외 2명|ArXiv.org|2003. 04. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 직접 발견되지 않았음에도 불구하고 LEP의 115 GeV 이하 제한을 넘지 않는 15개의 물리적으로 구별되는 상황에서 경량 힉스 보손이 존재할 수 있는지를 조사한다. 이는 특히 힉스 보손 섹터의 혼합이 강화되거나 새로운 게이지 대칭이 존재하는 MSSM의 확장 모델들이 더 무거운 힉스 질량을 자연스럽게 수용할 수 있으며, 미세조정이 필요로 하지 않는다는 점을 시사한다. 이는 LEP의 null 결과가 힉스 보손의 존재가 아닌 생산 또는 붕괴 확률의 감소 때문일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We study the implications of the absence of a direct discovery of a Higgs boson at LEP. First we exhibit 15 physically different ways in which one or more Higgs bosons lighter than the LEP limit could still exist. In the minimal supersymmetric standard model (MSSM) all of these, as well as the cases where the Higgs mass equals or exceeds 115 GeV, seem fine-tuned. We examine some interpretations of the fine tuning in high scale theories. The least fine-tuned MSSM outcome will have a Higgs mass at 115 GeV, while approaches that extend the MSSM at the weak scale can naturally have larger Higgs masses.

연구 동기 및 목표

• LEP에서 직접적인 힉스 보손 신호가 관측되지 않았음에도 불구하고 MSSM에서 경량 힉스에 대한 간접적 증거가 존재하는 이유를 설명하기 위해.
• 생산 또는 붕괴 확률이 억제되어 LEP에서 탐지되지 않더라도 115 GeV 이하의 힉스 보손이 존재할 수 있는 물리적으로 구별되는 모델을 특정하기 위해.
• MSSM의 미세조정 정도를 평가하고, 더 무거운 힉스를 자연스럽게 수용할 수 있는 매개변수 조정이 필요로 하지 않는 확장 모델을 탐색하기 위해.
• LEP의 null 결과가 약한 스케일에서의 새로운 물리, 예를 들어 확장된 힉스 섹터나 새로운 게이지 대칭을 가리키는지 평가하기 위해.
• 고스케일 이론에서 자연성의 이론적 기초와 삼중항 A-항이 미세조정 없이 더 무거운 힉스를 달성하는 데서 수행하는 역할을 조사하기 위해.

제안 방법

• 생산 단면적 또는 분해비율이 감소하여 LEP에서 탐지되지 않는 15개의 현상학적 구별 모델을 체계적으로 정리한다.
• 기본으로 MSSM 프레임워크를 사용하며, 소프트 붕괴 항과 게이지 군 $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$을 포함하고, 새로운 스칼라 장 또는 게이지 대칭을 추가하여 확장한다.
• Higgs 보손이 $ZZ$로 붕괴하는 코어링을 분석하기 위해 $C_{ZZH_i} = (g_2 M_Z / \cos\theta_W) C_i$를 사용하며, 근사값을 통해 신호 강도를 제약한다.
• 일반적으로 $\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$로 나타나는 일계 교정을 고려하여, 힉스 질량에 필요한 미세조정 정도를 평가한다.
• 삼중항 A-항과 스칼라 질량이 자연스러운 전자기 대칭 붕괴를 가능하게 하기 위해 $A_t \simeq -2m_0$가 되도록 하는 역할을 평가한다.
• 스트링 이론적 또는 GUT 유도 모델(예: 딜라톤 지배, 교차하는 D-브레인)을 탐색하여, 미세조정 없이 큰 A-항을 자연스럽게 생성할 수 있는 메커니즘을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LEP 힉스 검색의 null 결과는 힉스 보손의 존재가 아닌 생산 또는 붕괴 확률의 감소 때문일 수 있는가?
• RQ2 115 GeV 이하의 힉스 보손이 LEP 데이터와 모순되지 않게 존재할 수 있는 물리적으로 구별되는 시나리오는 무엇인가?
• RQ3 자연스러운 전자기 대칭 붕괴 요구 조건이 MSSM에서 삼중항 A-항과 스칼라 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 약한 스케일에서의 MSSM 확장—예를 들어 추가적인 U(1) 게이지 대칭—이 자연스럽게 더 무거운 힉스를 생성할 수 있는가?
• RQ5 특정 소프트 붕괴 항(예: $A_t \simeq -2m_0$)이 고스케일 이론에서 자연성과 통합에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 15개의 구별된 시나리오가 존재하며, 이는 생산 또는 붕괴 확률이 감소하여 LEP에서 탐지되지 않는 115 GeV 이하의 힉스 보손 존재 가능성을 시사한다. 특히 $m_h \simeq 98$ GeV 및 $m_A \simeq 89$ GeV인 시나리오 1이 포함되어 있다.
• 최소한의 MSSM에서 $m_h = 115$ GeV일 경우, 관측된 질량에 도달하기 위해 일계 교정이 $\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$를 제공해야 하므로 상당한 미세조정이 필요하다.
• 약한 스케일에서 새로운 스칼라 혼합이 있는 MSSM의 확장은 $A_t \simeq -2m_0$일 경우, 미세조정 없이 더 무거운 힉스를 자연스럽게 생성할 수 있다.
• 비균일한 소프트 항을 가진 모델—예를 들어 딜라톤 지배 또는 교차하는 D-브레인 구조—는 $A_t \simeq -2m_0$를 자연스럽게 생성할 수 있으며, 이는 미세조정을 감소시킨다.
• 모델에서 $m_h \simeq 115$ GeV 및 $m_A \simeq m_H > 115$ GeV인 시나리오 10은 mSUGRA와 호환되며, $\tan\beta \simeq 3-50$일 경우 미세조정을 피할 수 있다.
• 비활성 힉스 붕괴($h \to \tilde{N}_1\tilde{N}_1$) 또는 CP 위반 붕괴($H_2 \to H_1H_1$)를 포함하는 시나리오는 특히 $\tan\beta \simeq 8-50$일 경우 신호 부재를 설명할 수 있다.