[论文解读] What do precision Higgs measurements buy us?

Brian Henning, Xiaochuan Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2014

Computational Physics and Python Applications被引用 53

一句话总结

本文评估了未来精确的希格斯玻色子和电弱测量对两种不同新物理模型的敏感度：一种是树图级单态标量模型，用于电弱重子数生成；另一种是单圈图级MSSM标量顶夸克模型，用于自然性。利用有效场论，研究表明希格斯和电弱可观测量对新物理尺度的敏感度相当，未来 $e^+e^-$ 对撞机（如ILC和TeraZ）能够探测自然MSSM的参数区域。

ABSTRACT

We study the sensitivities of future precision Higgs measurements and electroweak observables in probing physics beyond the Standard Model. Using effective field theory--appropriate since precision measurements are indirect probes of new physics--we examine two well-motivated test cases. One is a tree-level example due to a singlet scalar field that enables the first-order electroweak phase transition for baryogenesis. The other is a one-loop example due to scalar top in the MSSM. We find both Higgs and electroweak measurements are sensitive probes of these cases.

研究动机与目标

• 评估未来精确希格斯玻色子和电弱测量对标准模型之外新物理的敏感度。
• 评估精确希格斯测量是否能够探测诸如电弱重子数生成和MSSM中自然性等具体且有动机的BSM情景。
• 使用有效场论比较希格斯和电弱可观测量在探测新物理尺度方面的灵敏度。
• 量化对威尔逊系数的实验敏感度，并将其与BSM模型中的物理质量关联起来。

提出的方法

• 采用标准模型有效场论（SMEFT）框架，通过由截断尺度 $\Lambda$ 抑制的高维算符来描述新物理。
• 通过积分出重的BSM态（单态标量和标量顶夸克）来计算六维算符的威尔逊系数。
• 将威尔逊系数与可测量的希格斯衰变和产生率相关联，包括 $h \to \gamma\gamma$、$h \to gg$ 以及 $\gamma\gamma$-耦合偏差。
• 使用以BSM参数（如 $m_{\tilde{t}}$、$X_t$ 和 $\tan\beta$）表示的威尔逊系数的解析表达式。
• 将未来 $e^+e^-$ 对撞机（ILC、TeraZ）的实验灵敏度投影到这两个模型的参数空间。
• 考虑由于希格斯真空期望值和混合效应引起的质量本征值修正，这些修正会将物理质量从朴素的逆威尔逊系数估计值偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 精确希格斯和电弱测量对一种允许一阶电弱相变的树图级单态标量模型有多敏感？
• RQ2 精确希格斯测量在多大程度上能够探测MSSM中的标量顶夸克 sector，特别是在自然性背景下？
• RQ3 希格斯和电弱可观测量在探测相同BSM物理情景时，其灵敏度如何比较？
• RQ4 未来 $e^+e^-$ 对撞机（ILC、TeraZ）通过希格斯精确测量在探测MSSM自然性区域方面的探测能力如何？
• RQ5 希格斯真空期望值和混合效应的修正如何影响威尔逊系数与物理BSM粒子质量之间的映射关系？

主要发现

• 在树图级单态标量模型和单圈图级MSSM标量顶夸克模型中，精确希格斯和电弱测量对新物理的敏感度相当。
• ILC和TeraZ计划能够探测到 $m_{\tilde{t}} \sim 1$ TeV 且 $X_t \sim \sqrt{6}m_{\tilde{t}}$ 的自然MSSM区域，对应最小的精细调节。
• 对于标量顶夸克模型，威尔逊系数的计算结果为 $\mathcal{O}\left(\frac{h_t^2}{(4\pi)^2}\right)$，其中 $c_{GG} \sim \frac{h_t^2}{(4\pi)^2} \frac{1}{12}$ 且 $c_{WB} \sim -\frac{h_t^2}{(4\pi)^2} \frac{1}{24}$，反映了圈图贡献。
• $h \to \gamma\gamma$ 衰变率的修正与 $\frac{8v^2}{m_{\tilde{t}}^2}(c_{WW} + c_{BB} - c_{WB})$ 成正比，对 $m_{\tilde{t}}$ 和 $X_t$ 敏感。
• 物理上标量顶夸克质量与朴素的逆威尔逊系数估计值之间的差异，由一个阶为 $\frac{1}{2}\frac{m_t^2}{m_{\tilde{t}}^2} \max\left(1, \frac{X_t^2}{m_{\tilde{t}}^2}\right)$ 的修正引起，该修正必须在灵敏度投影中予以考虑。
• 未来TeraZ计划相比ILC显著提升了灵敏度，能够以高精度探测自然MSSM参数空间。