[論文レビュー] Higgs Theory and Phenomenology in the Standard Model and MSSM

Howard E. Haber|ArXiv.org|Dec 10, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、標準模型（SM）および最小超対称標準模型（MSSM）におけるヒッグス粒子の理論と素粒子物理学をレビューし、トレーランとLHCにおけるヒッグス粒子発見の可能性、およびLHCと将来の$e^+e^-$線形衝突機における精度測定に焦点を当てる。主な貢献は、MSSMにおけるデカップリング限界—すなわち、軽いヒッグス粒子がSMヒッグス粒子に類似する状態—が、結合定数の測定のみで区別することが難しいため、精度の高いヒッグス物理学にとって大きな挑戦であると同定することにある。

ABSTRACT

A short review of the theory and phenomenology of Higgs bosons is given, with focus on the Standard Model (SM) and the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). The potential for Higgs boson discovery at the Tevatron and LHC, and precision Higgs studies at the LHC and a future e+e- linear collider are briefly surveyed. The phenomenological challenge of the approach to the decoupling limit, where the properties of the lightest CP-even Higgs boson of the MSSM are nearly indistinguishable from those of the SM Higgs boson is emphasized.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）および最小超対称標準模型（MSSM）におけるヒッグス粒子の理論的・現象論的状態を評価すること。
• 現在の実験的制約に基づいて、トレーランおよび大型ハドロン衝突装置（LHC）におけるヒッグス粒子発見の可能性を評価すること。
• LHCおよび将来の$e^+e^-$線形衝突機における精度ヒッグス研究の課題を、特にMSSMのデカップリング限界の文脈で検討すること。
• 重いヒッグス状態が非常に重い場合、MSSMにおける最も軽いCP偶性ヒッグス粒子がSMヒッグス粒子とどのように区別できないかという現象論的困難を調査すること。
• 放射修正およびMSSMのパラメータ（$\tan\beta$および$m_A$）がヒッグス結合に与える影響、および精度測定からモデルパラメータを抽出する可能性を調査すること。

提案手法

• 精度電弱データのグローバルフィットを用いて、SMヒッグス粒子質量を制約し、95%信頼水準での上限として$m_{h_{\rm SM}} < 193$ GeVを導出する。
• ヒッグスポテンシャルがプランクスケールまで安定であるという要請に基づく理論的制約を、再生群方程式を用いて導出する。
• MSSMにおけるデカップリング限界を分析し、最も軽いCP偶性ヒッグス（$h$）が結合においてSMヒッグスに近づく状態を扱い、そのずれは$m_Z^2/m_A^2$に比例することを示す。
• 将来の$e^+e^-$線形衝突機におけるヒッグス結合測定のシミュレーションを実施し、$hbb$、$h\tau\tau$、$hgg$結合に対して1–3%の実験的精度を仮定する。
• $m_A$–$\tan\beta$平面における$\chi^2$等高線を構築し、ヒッグス branching 比および結合のずれから重いヒッグス質量に対する制約を評価する。
• 特に、$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$である場合に、$\tan\beta$が大きくかつ$m_A$が小さい領域で、$hb\bar{b}$結合が抑制されることに起因する放射修正の影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 精度電弱データおよびLEPにおける直接探索から、SMヒッグス粒子質量に課せられる現在の制約は何か？
• RQ2 MSSMにおける最も軽いCP偶性ヒッグス粒子の性質は、デカップリング限界においてどのようにSMヒッグス粒子に近づくのか？その現象論的結果は何か？
• RQ3 将来の$e^+e^-$線形衝突機において、MSSMとSMをデカップリング領域で区別するにはどの程度の精度のヒッグス結合測定が必要か？
• RQ4 MSSMにおける放射修正は、$hb\bar{b}$結合にどのように影響を与えるか？また、どのパラメータ領域でこれが重いヒッグス質量の感度を低下させるか？
• RQ5 ヒッグス結合のずれは、MSSMにおける重いヒッグス状態（$m_A$）の質量に間接的な制約を与えることができるか？また、その制約は$\tan\beta$にどのように依存するか？

主な発見

• 精度電弱データからのSMヒッグス粒子質量の95%信頼水準での上限は$m_{h_{\rm SM}} < 193$ GeVであり、LEPによる直接探索の結果（95%信頼水準で$m_{h_{\rm SM}} < 114.4$ GeVを除外）と整合的である。
• MSSMにおけるデカップリング限界（$m_A \gg m_Z$）では、最も軽いCP偶性ヒッグス粒子（$h$）の結合が、SMヒッグス粒子のそれとほとんど区別できない状態となり、精度の高いヒッグス研究にとって大きな挑戦となる。
• 将来の$e^+e^-$線形衝突機では、ヒッグス粒子のベクトルボソンおよび第3世代フェルミオンへの結合が1–3%の精度で測定可能であり、SM予測からのずれを敏感に検出できる。
• ヒッグス結合の相対的ずれは、$m_Z^2/m_A^2$に比例するため、重いヒッグス領域の探査には高精度測定が不可欠である。
• 放射修正により$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$となる領域では、$hb\bar{b}$結合が抑制され、結合のずれが観測されても$m_A$の感度が失われる。
• ヒッグス結合測定のグローバルフィットから得られる$m_A$の制約は$\tan\beta$に強く依存する。一部の状況、特に$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$のときには、運動的限界を超えて$m_A$に対する意味のある制約を得ることはできない。