[논문 리뷰] Leading two-loop corrections to the Higgs di-photon decay in the Inert Doublet Model

Masashi Aiko, Johannes Braathen외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 허그스 저에너지 정리와 게이지 없는 극한에서의 완전한 온쉘 재결정화를 사용하여 관찰된 두 루프 보정이 인ert 이중체 모형(IDM)에서 허그스 이광자 붕괴에 미치는 영향을 처음으로 평가한다. 두 루프 효과는 특히 가벼운 암흑 물질 또는 무거운 허그스 보손이 존재하는 시나리오에서 표준모형에서의 편차를 크게 증폭시키며, 향후 콜라이더 데이터 해석에 필수적임을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Leading two-loop contributions to the di-photon decay of the Higgs boson are evaluated for the first time in the Inert Doublet Model (IDM). We employ for this calculation the Higgs low-energy theorem, meaning that we obtain corrections to the Higgs decay process by taking Higgs-field derivatives of the leading two-loop contributions to the photon self-energy. Specifically, we have included purely scalar corrections involving inert BSM Higgs bosons, as well as external-leg contributions involving both the inert scalars and fermions. Our calculation has been performed with a full on-shell renormalization, and in the gauge-less limit. We investigate our results numerically in two scenarios of the IDM: one with a light dark matter (DM) candidate (Higgs resonance scenario), and another with all additional scalars heavy (heavy DM scenario). In both cases, we find that the inclusion of two-loop corrections qualitatively modifies the behavior of the decay width, compared with the one-loop ($i.e.$ leading) order, and that they increase the deviation from the Standard Model. These large deviations can be tested at the High-Luminosity LHC.

연구 동기 및 목표

• 인트 이중체 모형(IDM)에서 허그스 이광자 붕괴 너비에 대한 주요 두 루프 기여를 계산하는 것, 이는 암흑 물질 후보가 존재하는 기준 블랙스모델(BSM) 이론이다.
• 특히 가벼운 또는 무거운 인트 스칼라가 존재하는 시나리오에서 두 루프 보정이 허그스 붕괴 너비에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 배경장 방법과 핀치 기법이라는 두 가지 독립적인 방법을 사용하여 계산의 일관성과 신뢰성을 확보하는 것.
• 향후 HL-LHC와 미래 콜라이더에서 정밀 측정된 허그스 이광자 붕괴를 해석하기 위해 두 루프 보정이 얼마나 필요한지 평가하는 것.
• 두 루프 보정이 한 루프 결과와 비교하여 붕괴 너비의 행동을 어떻게 수정하는지 정량화하는 것, 특히 인트 스칼라 간 질량 차이가 존재할 경우의 영향을 중심으로 한다.

제안 방법

• 두 루프 광자 자기에너지의 허그스 장 도함수를 취하여 허그스 저에너지 정리를 활용해 두 루프 보정을 계산하였다.
• 완전한 온쉘 재결정화와 게이지 없는 극한을 사용하여 IDM에서 일관되고 유한한 결과를 확보하였다.
• 게이지 불변성을 보장하고 결과를 교차 검증하기 위해 배경장 방법과 핀치 기법을 사용한 두 가지 독립적인 계산을 수행하였다.
• 인트 허그스 보손, 게이지 보손, 외부 끝에 인트 스칼라, 게이지 보손, 페르미온을 포함한 모든 관련 두 루프 도형을 포함하였다.
• 두 가지 벤치마크 시나리오에서 결과를 수치적으로 평가하였다: 가벼운 암흑 물질(허그스 공진) 시나리오와 무거운 허그스 시나리오.
• 두 루프 결과를 한 루프 예측과 비교하여 고차 보정의 정성적·정량적 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 두 루프 보정은 인트 이중체 모형에서 허그스 이광자 붕괴 너비에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 가벼운 또는 무거운 인트 스칼라가 존재하는 시나리오에서 두 루프 효과는 표준모형 예측에서의 편차를 어느 정도 수정하는가?
• RQ3 현재 및 향후 콜라이더에서 관측되거나 관측되지 않은 허그스 이광자 붕괴 너비의 편차를 신뢰성 있게 해석하기 위해 두 루프 보정이 필요한가?
• RQ4 배경장 방법과 핀치 기법이라는 두 독립적인 계산 방법의 결과는 어떻게 비교되며, 이는 계산의 일관성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 인트 스칼라 간 질량 차이는 허그스 이광자 붕괴 너비에서 비탈리스 효과를 강하게 증폭시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 가벼운 암흑 물질 및 무거운 허그스 시나리오 양쪽에서 두 루프 보정을 포함한 결과는 한 루프 결과와 비교해 허그스 이광자 붕괴 너비의 행동이 정성적으로 수정됨을 보여준다.
• 두 루프 보정은 표준모형 예측에서의 편차를 크게 증폭시키며, 특정 매개변수 영역에서는 한 루프 수준의 수십 배에 이르는 증폭 효과를 보인다.
• 배경장 방법과 핀치 기법을 사용한 두 독립적 계산 결과가 완전히 일치하여 결과의 일관성과 신뢰성을 확인하였다.
• HL-LHC 및 향후 레프톤 콜라이더에서 잠재적인 편차를 신뢰성 있게 해석하기 위해 두 루프 기여가 필수적임을 밝혀냈다.
• 가벼운 암흑 물질 시나리오에서 두 루프 효과는 한 루프 편차를 최대 두 배까지 증폭시켜 정밀 측정에서 신호를 더 두드러지게 한다.
• 결과는 무거운 인트 스칼라에서의 비탈리스 효과가 두 루프 차수에서 특히 큰 질량 차이가 존재할 경우 강하게 증폭됨을 보여준다.