[論文レビュー] Perturbative Unification and Higgs Boson Mass Bounds

K. S. Babu, Ilia Gogoladze+1 more|ArXiv.org|Oct 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、SU(5)の基礎表現および単位表現に属するベクトル型物質を導入することで、MSSMの最小限の拡張を提案する。これらの物質は、横方向のSU(N)ゲージ対称性を介してヒッグス二重項と大きなヤコビ型結合で相互作用する。これにより、GUTスケールまで摂動的ヤコビ型結合を維持でき、放射修正が軽いヒッグスボソンの質量を200–300 GeVまで引き上げる。同時にゲージ結合の統一と陽子崩壊の抑制も保たれる。

ABSTRACT

Supersymmetric extensions of the Standard Model generally give a theoretical upper limit on the lightest Higgs boson mass which may be uncomfortably close to the current experimental lower bound of $m_h$ > 114 GeV. Here we show ways in which this upper limit on $m_h$ can be relaxed substantially in the perturbative regime, while maintaining the successful unification of gauge couplings as observed in the minimal scenario. A class of models is presented, which includes new vector-like matter with the quantum numbers of the 5, 5-bar and singlet representations of SU(5) and having Yukawa couplings (κ) to the usual Higgs doublet $H_u$. This new matter transforms non-trivially under a "lateral" SU(N) gauge symmetry, which enables the new Yukawa couplings κto be sizable, even larger than the top-quark Yukawa coupling, and still be perturbative at all momenta up to the unification scale of 10^{16} GeV. We find that, consistent with low energy constraints, $m_h$ can be raised to values as large as 200 - 300 GeV.

研究の動機と目的

• MSSMにおける軽いヒッグスボソン質量の理論的上限（約130 GeV）と、増大する実験的下限（>114 GeV）との間の矛盾を解消し、大きな微調整を回避すること。
• MSSMの主な利点（ゲージ結合の統一と次元6の陽子崩壊の抑制）を保ちつつ、MSSMの限界を超えてヒッグス質量を顕著に向上させること。
• 最小限のMSSM拡張が、摂動的統一やグランドデザート・スケナリオを放棄せずに、ヒッグス質量に大きな放射修正を生成できるかどうかを調査すること。
• 横方向のSU(N)ゲージ対称性が、ヒッグスに大きなヤコビ型結合をもたらすが、GUTスケールまで摂動性を保つ仕組みを解明すること。

提案手法

• SU(5)の5、5̄、および単位表現に変換する新しいベクトル型物質場を導入し、Hᵤヒッグス二重項とヤコビ型結合（κ）で相互作用させる。
• SMゲージ群と可換であり、ヤコビ型結合κが10¹⁶ GeVまで摂動的であることを保証する新たな「横方向」のSU(N)ゲージ対称性を仮定する。
• 有効ポテンシャルと放射修正を用いてヒッグス質量を計算し、1ループおよび2ループレベルでの主要な(Hᵤ†Hᵤ)²項に注目する。
• ソフト対称性破れラグランジアンにAₖ項を導入し、新しいベクトル型状態における左右混合を可能にし、大きなXₖ = Aₖ/μₖによってヒッグス質量補正を強化する。
• ゲージ結合およびヤコビ型結合の走査群方程式（RGEs）を解き、10¹⁶ GeVにおける統一と低エネルギー制約との整合性を確認する。
• αₗₐₜ（初期ヤコビ型結合）、M_SUSY（SUSYスケール）、Aₖを変化させ、mₕがこれらの入力にどのように依存するかを調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMにおける軽いヒッグスボソン質量の上限を、摂動的統一および10¹⁶ GeVにおけるゲージ結合の統一を維持したまま顕著に緩和できるか。
• RQ2 次元6の陽子崩壊の抑制と統一を保つ最小限のMSSM拡張で、達成可能なヒッグス質量の最大値は何か。
• RQ3 トップクォークの結合を超える大きなヤコビ型結合を持つ新しいベクトル型物質が、GUTスケールまで摂動的である限り、ヒッグス質量にどのように寄与するか。
• RQ4 ベクトル型状態における左右混合がヒッグス質量補正をどのように強化するか、またSUSYスケールにどのように依存するか。
• RQ5 横方向のSU(N)ゲージ対称性が、摂動性を損なわずに大きなヤコビ型結合を許容できるか。その影響はヒッグス質量の上限にどのように現れるか。

主な発見

• SU(5)量子数を持つベクトル型物質とHᵤへのヤコビ型結合を導入することで、軽いヒッグスボソン質量を摂動的領域で200–300 GeVまで引き上げられる。
• αₗₐₜ = 0.3およびM_SUSY = 1 TeVの場合、ヒッグス質量上限はMSSMの131 GeVから213 GeVに上昇し、AₖがM_SUSY²に比例するように許容されると230 GeVにまで上昇する。
• mₕがM_SUSYに強く依存する主な要因は、ベクトル型状態における左右混合であり、これはAₖ² ∼ M_SUSY² + M_V²のとき最大に達する。
• モデルは10¹⁶ GeVにおける摂動的ゲージ結合の統一を維持し、次元6の陽子崩壊を許容可能なレベルに抑制する。
• ヒッグス質量が250 GeV未満の場合、追加の微調整はほとんど生じず、精密電弱データと整合し、物性論的に妥当である。
• mₕの上限は、横方向のSU(N)ゲージ結合のβ関数がゼロのとき最大に達する。β = -3であっても上限は依然として高く保たれるため、モデルの頑健性が示される。