[논문 리뷰] Upper and lower Higgs boson mass bounds from a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model

Philipp Frederik Clemens Gerhold|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 186인용 수 12

한 줄 요약

이 격자 양자장 이론 연구는 동적 페르미온을 포함한 격자 위에서 카이랄 대칭을 유지하는 힉스-유카와 모형을 사용하여 비임계적으로 힉스 보손의 상한과 하한 질량을 결정한다. 뉴버거 오버랩 연산자와 PHMC 알고리즘을 활용하여, Λ = 1000 GeV일 때 약 80 GeV의 하한과 Λ = 1500 GeV일 때 약 630 GeV의 상한을 구했으며, 이는 절단에 의존하고 임계 스케일링과 일치한다.

ABSTRACT

Motivated by the advent of the Large Hadron Collider the aim of the present work is the non-perturbative determination of the cutoff-dependent upper and lower mass bounds of the Standard Model Higgs boson based on first principle calculations, in particular not relying on additional information such as the triviality property of the Higgs-Yukawa sector or indirect arguments like vacuum stability considerations. For that purpose the lattice approach is employed to allow for a non-perturbative investigation of a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model, serving here as a reasonable simplification of the full Standard Model, containing only those fields and interactions which are most essential for the intended Higgs boson mass determination. These are the complex Higgs doublet as well as the top and bottom quark fields and their mutual interactions. To maintain the chiral character of the Standard Model Higgs-fermion coupling also on the lattice, the latter model is constructed on the basis of the Neuberger overlap operator, obeying then an exact global lattice chiral symmetry.

연구 동기 및 목표

• 자기 안정성이나 임계성과 같은 간접적 가정에 의존하지 않고 비임계적으로 힉스 보손 질량의 상한과 하한을 결정하는 것.
• 완전한 동적 격자 시뮬레이션을 통해 힉스-페르미온 상호작용이 하한 질량을 어떻게 생성하는지 조사하는 것.
• 유한 체적 외삽을 통해 강한 결합 영역에서 힉스-유카와 모형의 상한 질량을 확립하는 것.
• 순수한 φ⁴ 이론과의 비교를 통해 페르미온 자유도가 상한 질량에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 루슈너의 방법을 격자 프레임워크에서 힉스 보손 붕괴 폭을 계산하는 데 적용하기 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 연구는 복소 힉스 이중편과 토프/바텀 쿼크 장을 포함한 격자 힉스-유카와 모형을 사용하여 표준모형의 핵심적인 힉스-페르미온 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 페르미온 부문에서 정확한 전역 카이랄 대칭을 유지하기 위해 뉴버거 오버랩 연산자를 사용하여 격자 위에서 카이랄 대칭을 보존한다.
• 동적 페르미온은 힉스-유카와 모형에 적응된 PHMC 알고리즘을 통해 처리되어, 완전한 페르미온 전파를 수반하는 비임계 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 하한 질량은 약속 효과 잠재력에서 유도되며, Λ = 1000 GeV에서 수치 시뮬레이션을 통해 확인된다.
• 상한 질량은 강한 결합 영역에서 계산되고, 유한 체적 스케일링을 통해 무한체적으로의 외삽이 수행된다.
• 루슈너의 방법은 작은 재규격화된 4차 상호작용 상수에서 힉스 붕괴 폭을 계산하는 데 적용되며, 양자역학적 예측과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적인 가정 없이, 힉스-페르미온 상호작용에서 기인하는 비임계 하한 질량은 무엇인가?
• RQ2 상한 질량 한계는 격자 절단에 어떻게 의존하며, 기대되는 임계 스케일링을 따르는가?
• RQ3 순수한 스칼라 φ⁴ 이론과 비교했을 때, 페르미온 자유도는 상한 질량에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 루슈너의 방법은 격자 힉스-유카와 모형에서 힉스 보손 붕괴 폭을 성공적으로 계산하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ5 하한 질량 한계는 보편적인가, 아니면 힉스 자기상호작용의 구체적 형태에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 고정된 유카와 결합계수에서, 절단이 1000 GeV일 때 하한 질량 한계는 약 80 GeV로 나타나며, 이는 직접적으로 힉스-페르미온 상호작용에서 기인한다.
• 하한 질량 한계는 보편적이지 않으며, 4차 상호작용의 구조와 같은 힉스 자기상호작용의 특정 형태에 따라 달라진다.
• 강한 결합 영역에서의 유한 체적 외삽을 거쳐, 절단이 1500 GeV일 때 상한 질량 한계는 약 630 GeV로 결정된다.
• 상한 질량의 절단 의존성은 힉스-유카와 부문의 임계 스케일링과 일치하는 로그 감소를 보인다.
• 작은 재규격화된 4차 상호작용 상수에서 격자로 계산된 힉스 붕괴 폭은 양자역학적 예측과 양호한 일치를 보이며, 루슈너 방법의 타당성을 검증한다.
• 순수한 φ⁴ 이론과의 직접적 비교는 페르미온 기여가 상한 질량에 존재함을 시사하지만, 확실한 결론을 내리기 위해서는 더 높은 통계가 필요하다.