[论文解读] On the (Gaussian) maximum at a mass m_H~125 GeV of the product of decay probabilities of the Standard Model Higgs boson

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文在约125 GeV的质心能量下，于所有标准模型（SM）希格斯玻色子分支比乘积中识别出一个高斯峰，其成因是费米子与玻色子衰变宽度的反相关m_H幂次依赖关系。该峰位于m_H ≈ 124.9 ± 0.2 GeV，与大型强子对撞机（LHC）观测到的希格斯玻色子完全一致，提示可能存在一种潜在的基本原理，倾向于使所有SM粒子的衰变概率分布达到最大，从而为标准模型之外的新物理提供约束。

ABSTRACT

The product of the branching ratios of the standard model (SM) Higgs boson in all decay channels available below the top-antitop threshold is observed to be a Gaussian distribution of the Higgs boson mass with a maximum centered at m_H~125 GeV, i.e. exactly at the mass value where a new boson has been discovered at the Large Hadron Collider. Such an intriguing observation is seemingly driven by the different m_H-power dependence of the Higgs decay-widths into gauge bosons and fermions with steep anti-correlated evolutions in the transition region m_H~(m_W,2m_W) below the WW decay threshold. No other SM Higgs mass value has a better combined signal-strength for the whole set of decay channels. Speculative consequences of taking this feature as indicative of an underlying physical principle, that would force the Higgs mass to be that which maximizes its decay probabilities to all the SM particles simultaneously, are also discussed as a means to provide possible constraints for theoretical extensions of the SM.

研究动机与目标

• 研究所有SM希格斯衰变分支比的乘积是否在特定希格斯质量下表现出最大值。
• 确定在m_H ≈ 125 GeV处观测到的峰是否为统计巧合，或是否暗示更深层次的物理原理。
• 探讨此类峰如何约束标准模型的扩展，包括无费米子耦合或无规范玻色子耦合的希格斯玻色子，以及额外的希格斯或暗物质衰变通道。
• 量化作为m_H函数的全部动力学允许衰变模式中希格斯玻色子的理论信号强度。

提出的方法

• 使用hdecay和prophecy4f程序计算所有SM希格斯衰变通道（费米子对、矢量玻色子对、圈诱导衰变）的分支宽度Γ_i。
• 计算所有低于顶-反顶阈值的衰变通道分支比BR_i(m_H)的乘积。
• 分析BR_prod(m_H)的m_H依赖性，表明其因反相关的m_H幂次依赖关系（费米子为m_H^1，玻色子为m_H^3）而形成类似高斯的分布。
• 采用高阶QCD和电弱修正，确保分支宽度和分支比的理论精度。
• 将所得BR_prod(m_H)分布拟合，以确定峰的质量及其不确定性（124.9 ± 0.2 GeV）。
• 通过引入假设的新衰变通道（如至中微子或暗物质）探索其推测性影响，显示峰位置发生偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 所有SM希格斯分支比的乘积是否在特定希格斯质量下表现出最大值？
• RQ2 为何分支比乘积的峰恰好位于m_H ≈ 125 GeV这一LHC观测到的质量处？
• RQ3 该观测到的峰是否可归因于费米子与玻色子衰变宽度的反相关m_H幂次依赖关系？
• RQ4 如果该峰并非偶然，而是指示一种偏好最大衰变多样性的基本原理，其后果是什么？
• RQ5 该特征如何用于约束新物理，例如不可见衰变或额外希格斯玻色子？

主要发现

• 在低于顶-反顶阈值的所有SM希格斯分支比乘积形成一个类似高斯的分布，其峰值位于m_H = 124.9 ± 0.2 GeV。
• 该峰的成因是反相关的m_H幂次依赖关系：费米子衰变按m_H^1缩放，而玻色子及圈诱导衰变按m_H^3缩放，导致其乘积出现最大值。
• 在所有动力学允许的衰变通道中，没有任何其他希格斯质量值能同时实现更高的联合信号强度。
• 该峰对理论不确定性具有鲁棒性，m_H ≈ 125 GeV时BR乘积的不确定性估计为3–10%。
• 引入三个具有meV量级质量的中微子衰变通道后，峰位置移至约122 GeV，表明其对中微子质量模型具有敏感性。
• 该观测表明，SM希格斯质量可能并非自由参数，而可能受一种偏好最大衰变分支多样性原理的约束，为约束新物理提供了新途径。