[论文解读] Benchmarks for Higgs Effective Theory: Extended Higgs Sectors

Martin Gorbahn, José Miguel No+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用 14

一句话总结

本文提出基准模型——单重标量、径子/希格斯标量和2HDMs，以评估在探测标准模型之外的新物理时，希格斯有效场论（HEFT）的有效性。通过将这些紫外完备模型与维数-6 EFT算符匹配，作者量化了高能LHC运动学区域中EFT失效的情况，并表明来自希格斯信号强度和电弱可观测量的约束在很大程度上取决于威尔逊系数之间的模型特异性关联。

ABSTRACT

Precise measurements of SM particles properties at the LHC allows to look for heavy New Physics in the context of an Effective Field Theory (EFT). These searches, however, often rely on kinematic regions where the validity of the EFT may be compromised. In this paper we propose to address this issue by comparing with benchmark models. The connection between models and their manifestations as EFTs at low energies allows us to quantify the breakdown of the EFT, and describe ways to combine different sources of constraints beyond Higgs physics. To illustrate these techniques, in this paper we propose a set of benchmark models based on extensions of the Higgs sector, namely the inclusion of a singlet, a dilaton and generic 2HDMs. We obtain the matching between these models and the EFT involving the Higgs, electroweak bosons and fermions. We then describe current and future indirect and direct constraints, consider the effect of correlations among the coefficients within models, and discuss the validity of the EFT.

研究动机与目标

• 解决有效场论（EFT）约束在EFT可能失效的高能LHC区域中的可靠性问题。
• 建立一个系统性框架，用于比较EFT预测与扩展希格斯谱系的紫外完备模型。
• 量化EFT威尔逊系数之间模型特异性关联对LHC和电弱精确可观测量间接与直接约束的影响。
• 评估在重新物理情形下EFT的有效性，特别是在以高能信号分布为主导的运动学区域。
• 通过将EFT系数与具有明确现象学信号的明确紫外模型关联，为未来LHC分析提供基准工具。

提出的方法

• 构建一组紫外完备模型——单重标量、轴向/径子（dilaton）和通用2HDMs——作为扩展希格斯谱系的实现。
• 在这些紫外模型与包含希格斯粒子、规范玻色子和费米子的维数-6 EFT拉格朗日量之间进行匹配，推导出威尔逊系数。
• 利用匹配结果，以模型参数（如 $\tilde{\tau}_3$、$\tilde{\tau}_4$、$\tilde{\tau}_5$ 和 $m_{H^\pm}$）表示异常希格斯耦合（例如 $g^{(1)}_{hWW}$、$g^{(3)}_{hWW}$）。
• 推导出EFT系数（如 $\bar{c}_\gamma$、$\bar{c}_W$、$\bar{c}_B$ 和 $\bar{c}_T$）的解析表达式，其以物理质量与耦合常数表示。
• 分析来自LHC信号强度、电弱精确可观测量和运动学分布的当前与未来约束。
• 通过将EFT预测与完整紫外模型结果进行比较，评估EFT在高能区域的适用性，这些区域中EFT可能失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高能LHC运动学区域中，EFT对维数-6算符的约束在多大程度上会失效？
• RQ2 威尔逊系数之间的模型特异性关联如何影响EFT框架下对LHC数据的解释？
• RQ3 像单重、径子或2HDM这样的基准模型能否提供可靠的紫外实现，以检验EFT预测的有效性？
• RQ4 新物理质量（例如 $m_{H^\pm}$）对EFT中异常希格斯耦合大小的定量影响是什么？
• RQ5 在2HDM中，EFT对 $g^{(3)}_{hWW}$ 和 $g^{(3)}_{hZZ}$ 的预测如何依赖于 $\tilde{\lambda}_4$ 和 $\tilde{\lambda}_5$ 参数？

主要发现

• EFT系数 $\bar{c}_\gamma = \frac{m_W^2 \tilde{\lambda}_3}{256\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ 与三线希格斯耦合 $g_{hH^+H^-}$ 成正比，直接将其与带电希格斯粒子质量及 $\tilde{\lambda}_3$ 参数关联起来。
• 系数 $\bar{c}_T = (\tilde{\lambda}_4^2 - \tilde{\lambda}_5^2) \frac{v^2}{192\pi^2 m_{H^\pm}^2}$ 捕获了 $hWW$ 和 $hZZ$ 的张量型耦合，显示出对四次耦合差异的敏感性。
• 系数 $g^{(2,4-6)}_{hVV}$ 受 $\mathcal{O}[(1-x_0)^2, (1-x_A)^2]$ 抑制，表明其仅来自 $D=8$ 算符，且在新标量较重的极限下可忽略不计。
• $g^{(3)}_{hWW}$ 和 $g^{(3)}_{hZZ}$ 耦合对 $\tilde{\lambda}_4 \pm \tilde{\lambda}_5$ 敏感，其中 $g^{(3)}_{hWW} \sim \frac{g^2 v}{192\pi^2} \left[(1-x_0)(\tilde{\lambda}_4 + \tilde{\lambda}_5) + (1-x_A)(\tilde{\lambda}_4 - \tilde{\lambda}_5) \right]$。
• 通过匹配推导出 $\bar{c}_W - \bar{c}_B = -\frac{8}{3} \bar{c}_\gamma$，表明该关系在各类模型中具有普遍性。
• 通过将EFT预测与完整紫外模型结果比较，量化了EFT在高能区域的失效情况，揭示了若新物理尺度相对于测量能量尺度不够重，EFT约束可能具有误导性。