[论文解读] Anomalous gauge boson couplings, 125 GeV Higgs and singlet scalar dark matter

Namit Mahajan|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文通过引入一个实 singlet 标量场，对标准模型进行了最小扩展，该标量场作为暗物质候选者，同时通过圈图效应生成异常规范玻色子耦合。这些异常耦合使希格斯玻色子的二光子衰变率增强约20%，与ATLAS和CMS对125 GeV希格斯样共振的观测一致，且无需引入新的带电粒子或违反真空稳定性约束。

ABSTRACT

The recently observed Higgs like resonance at 125 GeV shows an enhanced rate in the diphoton channel, while being roughly consistent with the standard model expectation for the $WW^*$ and $ZZ^*$ channels. Such an enhancement is possible due to anomalous gauge boson couplings. We explore this feature within a minimal extension of the standard model, where a singlet scalar is introduced which also plays the role of the dark matter candidate. It is argued that such a minimal scenario, without new charged particles, can in principle lead to the desired enhancement of the diphoton rate via the induced anomalous gauge couplings, and at the same time improve the stability of the electroweak vacuum.

研究动机与目标

• 解释观测到的希格斯玻色子二光子衰变率增强1.5–2倍的现象，该增强幅度超过标准模型预测约20%。
• 探讨一个实 singlet 标量场（作为暗物质候选者）是否可通过圈修正生成异常规范玻色子耦合。
• 评估该模型是否能同时稳定电弱真空并符合实验约束。
• 研究负责暗物质的同一标量场是否能通过间接方式解释观测到的二光子衰变率异常，而无需引入标准模型之外的新带电粒子。

提出的方法

• 引入一个具有 Z₂ 对称性的实 singlet 标量场，以确保其稳定性和作为暗物质候选者的可行性。
• 构建包含 singlet 标量、希格斯双态及其相互作用（通过三线耦合 ρ 和自相互作用 η）的标准模型最小扩展的拉格朗日量。
• 在电弱对称性自发破缺后采用单位规范，计算有效相互作用，特别是诱导出的异常 W+W−γ 和 W+W−Z 顶点。
• 通过涉及 singlet 标量和希格斯玻色子的一圈图估算异常耦合的大小（κγ − 1, λγ），假设 singlet 比希格斯玻色子更重。
• 应用微扰估算表明，异常耦合大小在 ~few × 10⁻³ 量级是可能的，且不违反现有的 LEP 约束。
• 使用有效场论技术评估这些异常耦合对关键过程的影响：H → γγ、H → Zγ、μ → eγ 和 b → sγ。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型的最小扩展中，一个实 singlet 标量场是否能通过圈效应生成足够强的异常 W+W−γ 耦合，使 H → γγ 衰变率增强约20%？
• RQ2 提供稳定暗物质候选者的同一标量场是否也能改善电弱真空的稳定性？
• RQ3 所诱导的异常耦合是否与现有的 LEP 对 W+W−γ 和 W+W−Z 顶点的约束一致？
• RQ4 该模型是否能同时解释二光子衰变率增强并抑制 b → sγ 和 μ → eγ 等稀有过程的贡献？
• RQ5 该模型对μ子反常磁矩有何影响？是否能缓解实验与理论之间的张力？

主要发现

• 通过涉及 singlet 标量的圈图效应，可生成大小约为 ~few × 10⁻³ 的异常耦合，足以使 H → γγ 衰变率增强约20%。
• 该模型通过抵消顶夸克圈导致的希格斯四次耦合的负运行，自然地稳定了电弱真空。
• 由于施加了 Z₂ 对称性，singlet 标量保持为可行的暗物质候选者，且与物理希格斯玻色子无树图混合。
• 由异常耦合引起的μ子反常磁矩贡献不可忽略，且其大小取决于耦合的符号，为缓解现有张力提供了潜在解决方案。
• 该模型抑制了 b → sγ 的危险贡献，与实验约束保持一致。
• 负责暗物质和真空稳定的同一标量场，也可在不引入标准模型之外新带电粒子的前提下，解释二光子衰变率异常。