[论文解读] Higgs-Boson Interactions within the Randall-Sundrum Model

Daniele Dominici, Bohdan Grza̧dkowski+2 more|ArXiv.org|Jun 20, 2002

Black Holes and Theoretical Physics被引用 4

一句话总结

本文研究了在朗道-萨恩德鲁姆模型中希格斯玻色子的相互作用，重点关注可见膜上由曲率-标量耦合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 引发的希格斯场与轴子场之间的混合。推导了向量场和费米子耦合的求和规则，表明由于LEP实验的限制，希格斯粒子和轴子不可能同时为轻粒子，且识别出 $h \to \phi\phi$ 衰变为关键信号，分支比可达30–40%，显著改变大型强子对撞机的希格斯玻色子搜寻策略。

ABSTRACT

The scalar sector of the Randall-Sundrum model is discussed. The effective potential for the Standard Model Higgs-boson (h) interacting with Kaluza-Klein excitations of the graviton and the radion (phi) has been derived and it has been shown that only the Standard Model-like vacuum is allowed. The theoretical and experimental consequences of the curvature-scalar mixing xi RHH introduced on the visible brane are considered and simple sum rules that relate the couplings of the mass eigenstates (h) and (phi) to pairs of vector bosons and fermions are derived. The sum rule for the ZZh and ZZ phi couplings in combination with LEP/LEP2 data implies that not both the h and phi can be light. We present explicit results for the still allowed region in the (mh,mphi) plane that remains after imposing the LEP upper limits for non-standard scalar couplings to a ZZ pair. The phenomenological consequences of the mixing are investigated and, in particular, it is shown that the Higgs-boson decay h -> phi phi would provide an experimental signature for non-zero xi and can have a very substantial impact on the Higgs-boson searches, having BR(h->phi phi) as large as 30 - 40 %.

研究动机与目标

• 分析朗道-萨恩德鲁姆模型的标量 sector，特别是希格斯玻色子与轴子场之间的相互作用。
• 研究可见膜上曲率-标量耦合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 的现象学后果。
• 推导希格斯与轴子对向量玻色子和费米子耦合的求和规则。
• 在施加LEP/LEP2对 $ZZ$-耦合标量的限制后，确定 $m_h$ 与 $m_\phi$ 的允许参数空间。
• 评估 $h \to \phi\phi$ 衰变对大型强子对撞机上希格斯玻色子探测的影响，特别是对非标准衰变道的影响。

提出的方法

• 推导希格斯场与卡鲁扎-克莱因引力子模态及轴子场相互作用的有效势。
• 引入轴子的稳定质量项，并证明只有标准模型真空中解满足 $\partial V/\partial h = 0$。
• 在可见膜上引入曲率-标量耦合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$，以诱导希格斯场与轴子场之间的混合。
• 推导关联 $ZZh$ 与 $ZZ\phi$ 耦合的求和规则，表明非零 $\xi$ 会导致 $\phi^2 h$ 与 $h^n h\phi$ 相互作用。
• 利用LEP/LEP2数据约束 $ZZ$-耦合标量在 $(m_h, m_\phi)$ 平面中的允许区域。
• 对 $h \to \phi\phi$ 衰变分支比进行现象学分析，包括对 $h \to \phi\phi \to b\bar{b}b\bar{b}$ 和 $h \to \phi\phi \to b\bar{b}gg$ 的LHC背景进行蒙特卡洛评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 曲率-标量耦合 $\xi R \widehat{H}^\dagger\widehat{H}$ 对朗道-萨恩德鲁姆模型中希格斯-轴子混合有何影响？
• RQ2 关于 $ZZh$ 与 $ZZ\phi$ 耦合的求和规则如何限制轻希格斯与轴子态的同时存在？
• RQ3 在施加LEP/LEP2对标量与 $ZZ$ 对耦合的限制后，$m_h$ 与 $m_\phi$ 的允许参数空间是什么？
• RQ4 $h \to \phi\phi$ 衰变模式作为发现通道的重要性如何？可能的分支比是多少？
• RQ5 在多轻子与多夸克末态中，$h \to \phi\phi$ 在大型强子对撞机上的实验信号与探测挑战是什么？

主要发现

• 在引入稳定轴子质量项和有效势后，唯一允许的解是标准模型真空中满足 $\partial V/\partial h = 0$ 的解。
• 关于 $ZZh$ 与 $ZZ\phi$ 耦合的求和规则表明，希格斯与轴子不可能同时为轻粒子，排除了 $m_h \sim m_\phi \lesssim 100\,\text{GeV}$ 的区域。
• 当 $m_h = 120\,\text{GeV}$ 时，若 $|\xi|$ 较大且 $\Lambda_\phi = 5\,\text{TeV}$，$BR(h \to \phi\phi)$ 可达30–40%，此时 $m_\phi$ 接近 $m_h/2$。
• 当 $\Lambda_\phi = 1\,\text{TeV}$ 且 $m_h = 120\,\text{GeV}$ 时，若 $|\xi|$ 达到最大值，对于大多数理论上允许的 $m_\phi$ 值（接近 $m_h/2$），$BR(h \to \phi\phi)$ 可达50%。
• $h \to \phi\phi$ 衰变模式可显著稀释标准希格斯衰变道的分支比，特别是 $h \to \gamma\gamma$ 与 $h \to \tau^+\tau^-$，具体取决于 $m_\phi$ 与 $\xi$。
• 检测 $h \to \phi\phi$ 是探测非零 $\xi$ 的直接实验信号，因此在 $b\bar{b}b\bar{b}$ 与 $b\bar{b}gg$ 末态中开展专门的搜寻在大型强子对撞机上至关重要。