[논문 리뷰] Vacuum stability bounds on Higgs coupling deviations

Kfir Blum, Raffaele Tito D’Agnolo외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 94인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 힉스 보존 결합의 편차가 10–20%를 초과할 경우, 힉스 진공을 안정화하기 위해 새로운 보손이 존재해야 한다고 규명한다. 이러한 보손이 힉스와 직접 결합하지 않더라도 말이다. 양자역학적 굴절 방정식(RGE) 분석을 통해 순수 페르미온 모형에서 큰 양자 양자 결합 상수가 진공 불안정성을 유도하는 경우, 새로운 보손이 약 ~100 TeV 이하에 존재해야 하며, 이는 힉스 결합 측정이 직접 탐지가 불가능한 새로운 물리학을 탐지하는 수단이 될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We analyze the constraints imposed by Higgs vacuum stability on models with new fermions beyond the Standard Model. We focus on the phenomenology of Higgs couplings accessible at the Large Hadron Collider. New fermions that affect Higgs couplings lead to vacuum instability of the Higgs potential. Above the scale of vacuum instability, bosonic states must stabilize the potential, implying a cut-off to the pure fermion model. Conservatively tuning the models to produce the maximal cut-off for a given Higgs coupling effect, we show that observing a deviation in the $Htt$, $H$-diphoton, or $H$-digluon coupling, larger than 20$%$, would require that new bosons exist in order to stabilize the Higgs potential below about 100 TeV. For generic parameter configurations, and unless the new fermions are made as light as they can possibly be given current experimental constraints, observing a 10$%$ deviation in any of these couplings would suggest an instability cut-off below 10-100 TeV. Similarly, if new bosons are absent up to a high scale, then a deviation in the $Hbb$ or $Hττ$ coupling, larger than about 20$%$, should be accompanied by a sizable deviation in the $Zbb$ or $Zττ$ couplings that can be conclusively tested with electroweak precision measurements at planned lepton colliders.

연구 동기 및 목표

• 순수 페르미온 모형에서 관측 가능한 힉스 결합 편차를 유도하는 상한선 UV 절단 스케일(Λ_UV)을 결정하는 것.
• 특정 힉스 결합 편차(Htt, Hγγ, Hbb 등)가 존재할 경우, 힉스 포텐셜을 안정화시키기 위해 새로운 보손 상태가 존재해야 하는지 평가하는 것.
• 양자역학적 굴절 방정식(RGE)을 통해 LHC에서 관측 가능한 힉스 결합 비정상성과 진공 안정성 제약 조건을 연결하는 것.
• 스플릿 초대칭과 같이 고에너지 스케일까지 새로운 보손이 존재하지 않는 모형에 대해 예측 가능한 프레임워크를 제공함으로써, 이러한 모형이 하위 10% 이내의 힉스 결합 편차를 예측한다는 점을 보여주는 것.

제안 방법

• 새로운 페르미온에서 기인하는 큰 양자 결합 상수에 의해 영향을 받는 힉스 자기결합의 양자역학적 굴절 방정식(RGE)을 분석한다.
• 진공 안정성 제약 조건을 적용하여, 힉스 포텐셜이 불안정해지는 이전의 상한선 UV 절단 스케일(Λ_UV)을 유도한다.
• 퍼티튜브 RGE 분석을 통해 힉스 사중항 결합이 음수가 되는 스케일을 계산한다. 이는 불안정성을 시사한다.
• Λ_UV를 주어진 힉스 결합 편차에서 최대화하기 위해 페르미온 모형을 보수적으로 조정하며, Λ_UV 이하에 새로운 보손이 존재하지 않는다고 가정한다.
• 예상되는 LHC 및 향후 렙톤 충돌기 감도(예: ILC, CEPC)와 예측된 힉스 결합 편차를 비교한다.
• 특히 Zbb 및 Zττ 결합을 중심으로 전자약력 정밀 측정의 간접적 제약 조건을 평가하여 순수 페르미온 모형의 일관성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측 가능한 힉스 결합 편차를 유도하는 순수 페르미온 모형의 최대 UV 절단 스케일(Λ_UV)은 얼마인가?
• RQ2 얼마나 큰 힉스 결합 편차가 ~100 TeV 이하에서 진공 안정성을 확보하기 위해 새로운 보손의 존재를 시사하는가?
• RQ3 Zbb 또는 Zττ 결합이 표준모형 수준을 유지할 경우, Hbb 또는 Hττ 결합 편차는 순수 페르미온 모형과 일치할 수 있는가?
• RQ4 진공 안정성 제약 조건이 LHC에서의 힉스 결합 비정상성에 대한 순수 페르미온 모형을 어느 정도 배제하는가?
• RQ5 고에너지 스케일까지 새로운 보손이 존재하지 않는 모형(예: 스플릿 초대칭)은 힉스 결합 측정 결과에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• Htt, Hγγ 또는 Hgg 결합에서 20% 이상의 편차는 약 ~100 TeV 이하에서 새로운 보손이 힉스 포텐셜을 안정화시켜야 한다는 것을 의미한다.
• 이러한 결합에서 10%의 편차는 현재 제약 조건이 允許하는 한도 내에서 새로운 페르미온이 매우 가벼운 경우를 제외하고는 ~10–100 TeV 이하에서 진공 불안정성 스케일이 존재함을 시사한다.
• Hbb 또는 Hττ 결합 편차가 약 ~20% 이상일 경우, Zbb 또는 Zττ 결합에서 퍼밀레 수준의 대응 편차가 필요하며, 이는 향후 계획된 렙톤 충돌기에서 검증 가능하다.
• 미래의 GigaZ 기기에서 이러한 Z-포일 편차를 배제할 경우, 순수 페르미온 모형은 힉스 결합 비정상성에 대해 배제된다.
• LHC에서 HWW 또는 HZZ 결합 편차를 관측할 경우, 강력한 진공 안정성 제약 조건으로 인해 순수 페르미온 모형은 배제된다.
• 고에너지 스케일까지 새로운 보손이 존재하지 않는 모형—예를 들어 스플릿 초대칭—은 힉스 결합 수정 요소를 너무 작게 예측하여 LHC에서는 관측 불가능하다. 유일한 예외는 페르미온이 매우 가벼운 경우이다.