[論文レビュー] Higgs-field Portal into Hidden Sectors

Brian Patt, Frank Wilczek|ArXiv.org|May 16, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 287

ひとこと要約

本稿では、標準模型（SM）のシングレット場からなる「フォビッシュ」な隠れたセクターが、唯一の超可重整化であるヒッグス質量項を通じてSMにのみ結合する、可重整化可能なヒッグスポータル機構を提案する。この結合により、ヒッグスボソンの新たな崩壊チャネルが可能となり、その共鳴が複数の軽い状態に分散するか、または見えない状態へと変わる可能性があるが、自然性は保たれ、微調整を要しない弱いスケールの動的説明が可能である。

ABSTRACT

The Higgs field mass term, being superrenomalizable, has a unique status within the standard model. Through the opening it affords, $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ singlet fields can have renormalizable couplings to standard model fields. We present examples that are neither grotesque nor unnatural. A possible consequence is to spread the Higgs particle resonance into several weaker ones, or to afford it additional, effectively invisible decay channels.

研究の動機と目的

• SU(3)×SU(2)×U(1)のシングレット場が隠れたセクターへと入る際に、ヒッグス質量項が果たす独自の役割を調査すること。
• このような結合が、弱いスケールのダイナミクスを持つ自然で不快な要因を含まない隠れたセクターのモデルを可能にすることを示すこと。
• ヒッグスポータルがヒッグス崩壊が見えない状態やマルチチャネルにどのように寄与するかを調査し、ヒッグスの物性論を変化させること。
• このような隠れたセクターの宇宙論的制約およびダークマターへの影響を分析すること。
• 次元5のオペレーターを介して、見かけのニュートリノに類似した状態をもたらす見かけのニュートリノの見かけのメカニズムを隠れたセクターに拡張すること。

提案手法

• ヒッグスポータルのラグランジアン項 $\mathcal{L}_{\text{link}} = \eta \phi_s^\dagger \phi_s \phi_p^\dagger \phi_p$ を導入し、$\phi_s$ をSMヒッグス、$\phi_p$ を隠れたセクターのスカラー・シングレットとする。
• 対称性の破れと混合を調べるため、スカラー・ポテンシャル $V(\phi_s, \phi_p) = \mu_s^2 |\phi_s|^2 + \lambda_s |\phi_s|^4 + \mu_p^2 |\phi_p|^2 + \lambda_p |\phi_p|^4 - \eta |\phi_s|^2 |\phi_p|^2$ を分析する。
• 結合を3つのカテゴリに分類する：(1) 隠れたセクターのヒッグスは真空期待値を取らない、(2) 隠れたセクターのヒッグスが真空期待値をとり、混合が生じる、(3) ゲージ対称性を持たない直接の三線形結合。
• 隠れたセクターにおける自発的ちがい対称性の破れから生じるネンブ・ゴールドストーン粒子が、SMヒッグスに直接結合する役割を調査する。
• 特にビッグバン核合成（BBN）からの宇宙論的制約を評価し、隠れたセクターが宇宙を過剰に閉じ込めることがないかを確認する。
• 超対称モデルへの拡張を検討し、ニュートリノの混合とゲージ結合定数の統合の最小限の摂動を焦点とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス質量項は、SU(3)×SU(2)×U(1)のシングレット場を持つ隠れたセクターへの自然で可重整化可能なポータルとして機能できるか？
• RQ2 ヒッグス崩壊が隠れたセクター状態へと進行する場合の物性的結果、特に共鳴幅と信号の希釈の観点から、どのような影響を受けるか？
• RQ3 特にBBNからの宇宙論的制約は、ヒッグスポータルを介して結合する隠れたセクターの存在と温度をどのように制限するか？
• RQ4 次元5のオペレーターを介して、見かけのニュートリノに類似した状態をもたらす見かけのニュートリノのメカニズムを隠れたセクターに一般化できるか？
• RQ5 隠れたセクターにおけるちがい対称性の破れから生じるネンブ・ゴールドストーン粒子は、ヒッグス崩壊を媒介する役割を果たすか？

主な発見

• ヒッグス質量項 $-\mu^2 \phi^\dagger \phi$ は、唯一の超可重整化であり、明示的な質量スケールを導入することなく、SMシングレット場とSMへの可重整化結合を可能にする。
• コンfinementを示す隠れたセクターでは、自発的ちがい対称性の破れが有効なヒッグス質量項 $-\eta \kappa^2$ を生成し、自然に電弱対称性の破れを引き起こす可能性がある。
• ヒッグスボソンの崩壊率は顕著に変化する可能性がある：全幅は複数の隠れた状態に分散されるか、または見えないモードへの崩壊により、従来の信号が希釈される。
• 隠れたセクターのヒッグスが真空期待値をとると、SMと隠れたヒッグス状態の間で混合が生じ、混合された物理的スペクトルが得られる。
• 隠れたちがい対称性の破れから生じるネンブ・ゴールドストーン粒子は、SMヒッグスに直接結合し、軽い場合にその崩壊幅を支配する可能性がある。
• 宇宙論的制約により、隠れたセクターはBBN時に可視セクターより冷たくてもよいが、早期に脱結合し、エントロピーを過剰に生じさせず、核合成を変化させない限り許容される。