[논문 리뷰] Phenomenology of the new light Higgs bosons in Gildener-Weinberg model

Kenneth Lane, Eric Pilon|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 대칭 붕괴의 Gildener-Weinberg (GW) 모델에서 경량 힉스 보손의 현상학을 조사한다. 여기서 125 GeV 힉스는 근사 스케일 대칭에 의해 보호된다. 이는 모든 새로운 힉스 보손 질량이 약 500 GeV 이하로 제한되는 합규칙을 도출하며, 이는 LHC에서 관측 가능하다는 것을 의미하지만, 자기결합 상수가 억제되어 힉스 쌍 및 삼중체 생성 단면적은 매우 작아져 향후 100 TeV 충돌기조차도 탐지하기 어려울 정도로 작다. 따라서 향후 근소한 기간 동안 가장 유망한 검증 경로는 이러한 경량 힉스 보손의 직접 탐색이다.

ABSTRACT

Gildener-Weinberg (GW) models of electroweak symmetry breaking are especially interesting because the low mass and nearly Standard Model couplings of the $125\,{ m GeV}$ Higgs boson, $H$, are protected by approximate scale symmetry. Another important but so far under-appreciated feature of these models is that a sum rule bounds the masses of the new charged and neutral Higgs bosons appearing in {\em all} these models to be below about $500\,{ m GeV}$. Therefore, they are within reach of LHC data currently or soon to be in hand. Also so far unnoticed of these models, certain cubic and quartic Higgs scalar couplings vanish at the classical level. This is due to spontaneous breaking of the scale symmetry. These couplings become nonzero from explicit scale breaking in the Coleman-Weinberg loop expansion of the effective potential. In a two-Higgs doublet GW model, we calculate $\lambda_{HHH} \simeq 2(\lambda_{HHH})_{ m SM} = 64\,{ m GeV}$. This corresponds to $\sigma(pp o HH) \cong 15$--$20\,{ m fb}$, its {\em minimum} value for $\sqrt{s} = 13$--$14\,{ m TeV}$ at the LHC. It will require at least the $27\,{ m TeV}$ HE-LHC to observe this cross section. We also find $\lambda_{HHHH} \simeq 4(\lambda_{HHHH})_{ m SM} = 0.129$, whose observation in $pp o HHH$ requires a $100\,{ m TeV}$ collider. Because of the above-mentioned sum rule, these results apply to {\em all} GW models. In view of this unpromising forecast, we stress that LHC searches for the new relatively light Higgs bosons of GW models are by far the surest way to test them in this decade.

연구 동기 및 목표

• 전기약력 대칭 붕괴의 Gildener-Weinberg (GW) 모델에서 새로운 경량 힉스 보손의 현상학을 분석하는 것.
• 스케일 대칭과 그의 명시적 위반에 의해 유도되는 힉스 질량과 결합 상수에 대한 주요 제약 조건을 규명하는 것.
• LHC 및 향후 충돌기에서 힉스 쌍 및 삼중체 생성의 탐지 가능성 평가.
• 현재 시대에 GW 모델을 검증하기 위해 직접 탐색이 가장 유망한 실험적 경로임을 주장하는 것.

제안 방법

• 1차 순서의 루프 양자역학적 섭동 이론에서 유효한, GW 모델에서 새로운 힉스 보손 질량에 대한 합규칙 유도: (∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeV.
• 클래식적으로 스케일 불변인 두 힉스 두중렛 GW 모델(GW-2HDM)에서의 고전적 힉스 포텐셜 분석으로, 이는 특정 삼차 및 사차 상호작용 상수를 0으로 강제한다.
• Coleman-Weinberg 루프 전개를 통해 효과적인 힉스 자기결합 상수 λHHH 및 λHHHH를 계산하며, 이는 명시적 스케일 위반으로 인해 비제로 값으로 생성된다.
• 유도된 상호작용 상수를 사용하여 LHC 및 향후 100 TeV 충돌기에서의 pp → HH 및 pp → HHH 생성 단면적 σ를 평가.
• ATLAS 및 CMS의 기존 LHC 데이터 및 탐색 한계와의 비교를 통해 H± → t¯b, H2,A → b¯b, H2,A → ZH 등의 붕괴 채널에 집중.
• 특히 tanβ < 1 영역에서, 현재 및 향후 LHC 데이터의 감도가 GW-2HDM 매개변수 공간에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Gildener-Weinberg 모델에서 새로운 전하를 지닌 및 중성 힉스 보손의 질량에 대한 제약 조건은 무엇이며, 스케일 대칭으로부터 어떻게 유도되는가?
• RQ2 왜 GW 모델에서 고전 수준에서 일부 삼차 및 사차 힉스 자기결합 상수가 0이 되는가? 그리고 양자 보정을 통해 어떻게 생성되는가?
• RQ3 GW 모델에서 힉스 쌍 및 삼중체 생성의 예측 단면적은 무엇이며, LHC 또는 향후 충돌기에서 탐지 가능한가?
• RQ4 현재 LHC 탐색에 가장 접근 가능한 신규 힉스 보손의 붕괴 채널은 무엇이며, 이는 모델 매개변수를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 왜 200–500 GeV 범위의 새로운 힉스 보손을 직접 탐색하는 것이 현재 시대에 GW 모델을 검증하기 위해 가장 유망한 경로로 간주되는가?

주요 결과

• 합규칙 (∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeV는 GW 모델에서 모든 새로운 힉스 보손 질량이 약 500 GeV 이하로 제한됨을 보여주며, 이는 LHC에서 관측 가능하다는 것을 의미한다.
• GW 모델에서 삼차 힉스 자기결합 상수 λHHH는 약 64 GeV로 예측되며, 이는 √s = 13–14 TeV에서 pp → HH 생성 단면적이 15–20 fb로 예측된다.
• 사차 힉스 자기결합 상수 λHHHH는 약 0.129로 추정되며, 이는 pp → HHH 단면적이 100 TeV 충돌기에서도 탐지 불가능할 정도로 너무 작다는 것을 의미한다.
• 히iggs 자기결합 상수가 억제되므로, 200–500 GeV 범위의 새로운 힉스 보손(H±, H2, A)에 대한 직접 탐색이 현재 시대에 GW 모델을 검증하기 위한 唯一의 유망한 실험적 경로이다.
• MH± ≈ 400 GeV 및 tanβ = 0.5일 경우, H± → W⁺H₂ 붕괴 확률은 H± → t¯b보다 70배 높으며, 이는 H± → W⁺H₂ → ℓ⁺b¯b 채널이 t¯b 탐색에서 오인될 수 있음을 시사한다.
• 현재 LHC 데이터(13 TeV에서 140 fb⁻¹)는 H2,A → b¯b에 대해 tanβ < 3–6를 제약하며, 향후 Run 3 데이터는 tanβ > 0.2일 경우 10³에서 수천만 개의 새로운 힉스 보손을 생성할 것으로 예상된다.