[論文レビュー] Searching for a lighter Higgs: parametrisation and sample tests

Giacomo Cacciapaglia, Aldo Deandrea+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、標準模型を超える理論における軽いヒッグスに似たスカラー粒子のモデルに依存しないパrametrizationを提案する。これは、同じ質量の標準模型ヒッグスと比較した正規化された結合修正係数（$κ$）を用いる。この手法により、LHCが126 GeV ヒッグスに課した制約を、任意の軽いスカラーに直接翻訳可能となり、2HDM-II や NMSSM といったモデルを区別するような $κ$ パrameter間の特徴的な相関関係（例：$κ_{V,1} = 2κ_{b,1}$ または $κ_{t,1} = κ_{V,1}/2$）が明らかになる。これにより、UV完成の詳細を必要とせずに $γ\u03b3$ チャネルにおける信号強度の増幅を説明できる。

ABSTRACT

The structure of the Higgs sector is a major issue in the quest of a detailed description of the electroweak interactions. Most of the effort is devoted to the study of the standard model--like Higgs boson at 126 GeV, however the experimental collaborations at the LHC are also searching for extra scalar particles whose presence may hint to an extended Higgs sector, typical of many extensions of the standard model. We study a model independent parametrisation of a scalar particle lighter than the 126 GeV Higgs boson, which may be easily implemented in the ongoing searches by ATLAS and CMS. Indeed many effective Lagrangians/parametrisations used at present for the description of the Higgs sector implicitly assume that no light particles other than the standard model ones are present in the spectrum. We therefore introduce a parametrisation of a two scalars model, one corresponding to the 126 GeV Higgs boson and the other to a lighter scalar. After the introduction of such a tool, we consider two typical examples falling in this category, in order to illustrate the use of our formalism: the two Higgs doublet model and the next to minimal supersymmetric standard model. Our results agree with the specific studies performed for these models. Furthermore, employing such a generic parametrisation allows us to translate the bounds to any model beyond the standard model falling into this class.

研究の動機と目的

• 126 GeV 以外の軽いヒッグススカラに関するLHC限界を解釈するための標準化されたフレームワークの欠如に対処すること。
• 同じ質量の標準模型ヒッグスと比較した正規化結合修正係数を用いて、二スカラー系（1つは126 GeV ヒッグスに対応、もう1つは軽いスカラー）のモデルに依存しないパラメータ化を開発すること。
• 126 GeV ヒッグスに課された実験的制約を、任意の軽いスカラーを含むBSMモデルに直接翻訳可能にする仕組みを構築し、理論と実験のインターフェースを向上させること。
• 2HDM-II や NMSSM といった特定のモデルを、観測可能な結合相関関係を通じて区別できるという、このパラメータ化の有効性を示すこと。

提案手法

• フェルミオンおよびベクトルボソンの結合修正係数 $\kappa_{f,i} = g_{h_i ff}^{\text{BSM}} / g_{h_{\text{SM}}, ff}^{\text{SM}}$ を定義し、同じ質量の標準模型ヒッグスと正規化する。
• ループ誘導結合のパラメータ化を光子およびグルーオンに対して適用し、$\kappa_{\gamma,i}$ および $\kappa_{g,i}$ を用いる。これはループ寄与から導出される。
• カスティドル対称性および $\mathcal{CP}$-保存仮定を用いてスカラー系の構造を制約する。
• 2HDM（タイプI, II, III, IV）および NMSSM の2つのベンチマークモデルにこのパラメータ化を適用し、その予測力の検証を行う。
• LHCが信号強度（例：$gg \to h_1 \to \gamma\gamma$）に課す制約を用いて、$\kappa$-パラメータ空間における許容領域をマッピングする。
• 重ヒッグスの極限における近似関係から、特定の2HDMタイプにおいて、$\kappa_{t,1} = \kappa_{V,1}/2$ や $\kappa_{b,1} = 2/\kappa_{V,1}$ といった解析的関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽いヒッグススカラの普遍的なパラメータ化をどのように構築すれば、LHC制約のモデル間比較が可能になるか？
• RQ2 2HDM-II や NMSSM といった特定のBSMモデルにおいて、どのような特徴的な $\kappa$ パラメータ相関関係が生じるか？ そしてそれらは信号強度にどのように影響するか？
• RQ3 $gg \to h_1 \to \gamma\gamma$ チャネルにおける増幅は、UV詳細を必要とせず、$\kappa$-パラメータ相関関係のみで説明可能か？
• RQ4 2HDM-II と NMSSM は類似した基盤対称性を持つにもかかわらず、$\kappa_{V,1}$–$\kappa_{b,1}$ 平面および $\kappa_{V,1}$–$\kappa_{t,1}$ 平面において異なる許容領域を示すのはなぜか？
• RQ5 このパラメータ化は、将来のLHCにおける軽いスカラー探索の解釈をどの程度簡素化できるか？

主な発見

• このパラメータ化は、2HDM-II や NMSSM における既知の制約を正確に再現でき、既存のモデル特異的解析と整合性があることを検証した。
• 2HDM-II では、Yukawa結合の強い相関から、許容 $\kappa$-パラメータ空間が明確な直線として現れる：$\kappa_{t,1} = \kappa_{V,1}/2$ または $\kappa_{b,1} = 2/\kappa_{V,1}$。
• 2HDM-II において $\kappa_{b,1} \approx 0$ の領域は、$\kappa_{V,1} \neq 0$ であれば除外される。なぜなら、それにより $\gamma\gamma$ 信号強度が大きく上昇し、LHCの観測結果と矛盾するからである。
• $gg \to h_1 \to \gamma\gamma$ チャネルにおける増幅は、非ゼロの $\kappa_{\gamma,1}$ および $\kappa_{b,1} \approx 0$ に起因し、NMSSM ではチャリノのループ寄与が顕著に寄与している。
• このパラメータ化により、実験結果のモデルに依存しない解釈が可能になる。例えば、$\gamma\gamma$ 信号強度が1より大きい場合、特定の $\kappa$-パラメータ設定に直接結びつけることができ、UVモデルを明示する必要がない。
• この手法により、126 GeV ヒッグスに課されたLHC制約を、任意の軽いスカラーに効率的に翻訳可能となり、繰り返しのモデル特異的再計算の必要性が削減される。