[논문 리뷰] Prediction of the light CP-even Higgs-Boson Mass of the MSSM: Towards the ILC Precision

Thomas Hahn, S. Heinemeyer외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고정주문 1차 및 2차 교정과 토프/스탑 셋의 주요 및 보조 로그 항의 전역 재결합을 조합하여 MSSM에서 빛의 CP-짝성 힉스 보손 질량에 대해 고정밀도 예측을 제시한다. 이 방법은 페인하이그스 코드에 구현되어 있으며, 이론적 불확실성을 크게 감소시키며, 특히 스칼라 토프 질량이 2 테바전자볼트를 초과할 경우 1–2 기리톤의 예측 정밀도를 달성하여 ILC의 50 메가전자볼트 정밀도 목표에 부합한다.

ABSTRACT

The signal discovered in the Higgs searches at the LHC can be interpreted as the Higgs boson of the Standard Model as well as the light CP-even Higgs boson of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). In this context the measured mass value, having already reached the level of a precision observable with an experimental accuracy of about 500 MeV, plays an important role. This precision can be improved substantially below the level of about 50 MeV at the future International Linear Collider (ILC). Within the MSSM the mass of the light CP-even Higgs boson, M_h, can directly be predicted from the other parameters of the model. The accuracy of this prediction should match the one of the experimental measurements. The relatively high experimentally observed value of the mass of about 125.6 GeV has led to many investigations where the supersymmetric (SUSY) partners of the top quark have masses in the multi-TeV range. We review the recent improvements for the prediction for M_h in the MSSM for large scalar top masses. They were obtained by combining the existing fixed-order result, comprising the full one-loop and leading and subleading two-loop corrections, with a resummation of the leading and subleading logarithmic contributions from the scalar top sector to all orders. In this way for the first time a high-precision prediction for the mass of the light CP-even Higgs boson in the MSSM is possible all the way up to the multi-TeV region of the relevant supersymmetric particles. However, substantial further improvements will be needed to reach the ILC precision. The newly obtained corrections to M_h are included into the code FeynHiggs.

연구 동기 및 목표

• 국제 선형 충돌기(ILC)에서 예상되는 50 메가전자볼트 정밀도에 맞추어 MSSM에서 빛의 CP-짝성 힉스 보손 질량에 대한 이론적 예측을 향상시키기 위해.
• 특히 다이테바전자볼트 수준의 무거운 스칼라 토프 쿼크에서 발생하는 MSSM 힉스 질량 예측의 큰 이론적 불확실성을 다루기 위해.
• ILC 시대의 정밀 물리학을 위해 요구되는 1 기리톤 이하의 이론적 불확실성 수준으로 힉스 질량 예측의 내재적 불확실성을 감소시키기 위해.
• 고정주문 양자장 이론과 모든 순서의 로그 재결합을 토프/스탑 셋에서 일관되게 조합하고 검증하기 위해.
• 3차 고차항 보정, 특히 αt²αs, αt³ 수준의 3차 보정 항이 MSSM에서 힉스 질량 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 두 번째 순서의 양자역학적 군 방정식(RGEs)을 사용하여 토프/스탑 셋의 주요 및 보조 로그 항의 전역 재결합과 고정주문 1차 및 2차 교정을 조합한다.
• 고정주문 항과 재결합 항 간의 일관된 매칭 절차를 적용하여 중복 계산을 방지하고 정확성을 확보한다.
• 개선된 계산을 구현하기 위해 페인하이그스 코드를 사용하며, 이는 양자역학적 교정과 재결합 효과를 모두 포함한다.
• 3차 보정 항의 영향을 분리하기 위해 H3m 코드와의 수치적 비교를 수행한다.
• 스칼라 토프 질량 척도(MS)와 혼합 매개변수에 따른 힉스 질량 예측의 의존도를 평가한다.
• 톱 쿼크 질량의 매개변수 불확실성과 그 최종 힉스 질량 예측에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 스칼라 토프 쿼크에서 MSSM에서 빛의 CP-짝성 힉스 보손 질량 예측에 대해 모든 순서의 로그 재결합이 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 3차 보정 항(O(αt²αs, αt³)) 및 고차항은 고정주문 결과와 비교해 볼 때 힉스 질량 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 MSSM 힉스 질량 예측의 이론적 불확실성을 ILC 정밀도 목표인 50 메가전자볼트 수준으로 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ4 혼합 효과가 무시할 수 있을 정도일 때, 스칼라 토프 질량 척도(MS)에 따라 예측된 힉스 질량은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 1 기리톤 이하의 이론적 불확실성을 달성하기 위해 톱 쿼크 질량의 정밀도는 어느 정도여야 하는가?

주요 결과

• 주요 및 보조 로그 항의 전역 재결합을 포함함으로써, MS = 10 테바전자볼트일 경우 힉스 질량 예측이 최대 2 기리톤 감소하며, MS가 높을수록 이 효과가 더 크다.
• 3차 보정 항(O(αt²αs, αt³))를 추가하면, H3m 고정주문 결과와 비교해 MS = 10 테바전자볼트일 경우 힉스 질량이 약 5 기리톤 감소한다.
• 스칼라 토프 질량이 2 테바전자볼트를 초과할 경우 재결합 교정 항이 크게 증가하여 고질량 영역에서 지배적임을 나타낸다.
• 스칼라 토프 셋에서 혼합 효과가 없더라도, MS ≳ 10 테바전자볼트일 경우 예측된 힉스 질량은 125.6 기리톤에 도달하며, 측정된 값과 비교해 이러한 고질량은 불리하다.
• MS < 몇 테바전자볼트일 경우 힉스 질량 예측의 내재적 이론적 불확실성은 약 2 기리톤 이하로 추정되나, 다이테바전자볼트 척도에서는 여전히 불확실하다.
• 1 기리톤 이하의 이론적 불확실성을 달성하기 위해서는 현재 최첨단 수준을 넘어서는 고차항 보정 항의 추가가 필요하다.