[论文解读] Coleman-Weinberg Higgs

Dongjin Chway, Radovan Dermíšek+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种标准模型的新扩展，其中电弱对称性自发破缺完全由希格斯四次耦合通过辐射修正驱动，无需负质量项。一个在隐秘U(1)规范对称性下带电的单态标量场S，通过圈修正诱导出大的希格斯自耦合，从而形成Coleman-Weinberg型希格斯粒子，其在普朗克尺度下仍保持微扰性，同时保持与标准模型相似的费米子和规范玻色子耦合，其三重和四重自耦合分别增强最多达80%和300%。

ABSTRACT

We discuss an extension of the standard model by fields not charged under standard model gauge symmetry in which the electroweak symmetry breaking is driven by the Higgs quartic coupling itself without the need for a negative mass term in the potential. This is achieved by a scalar field S with a large coupling to the Higgs field at the electroweak scale which is driven to very small values at high energies by the gauge coupling of a hidden symmetry under which S is charged. This model can remain perturbative all the way to the Planck scale. The Higgs boson is fully SM-like in its couplings to fermions and gauge bosons. However, the effective cubic and quartic self-couplings of the Higgs boson are significantly enhanced.

研究动机与目标

• 构建一个可行的标准模型扩展，使得电弱对称性自发破缺完全源于对希格斯四次耦合的辐射修正，避免引入负质量项。
• 确保模型在普朗克尺度下仍保持微扰性，解决以往Coleman-Weinberg情景中非微扰性的问题。
• 在显著改变希格斯自相互作用的同时，保持希格斯粒子与费米子和规范玻色子的耦合与标准模型相似。
• 识别出一种独特且可检验的希格斯自耦合信号，以区分该模型与传统的单态扩展。

提出的方法

• 引入一个在标准模型规范对称性下为单态的实标量场S，但在隐秘U(1)规范对称性下带电，并在电弱尺度具有与希格斯场的大耦合g₄。
• 利用隐秘U(1)规范对称性的规范耦合，使标量场S在高能下获得小的真空期望值，从而抑制其量子修正。
• 使用跑动的规范群演化计算有效希格斯势，包括异常维数和S场的阈值修正。
• 通过有效势的二阶和四阶导数推导出有效三重和四重希格斯自耦合，考虑动量依赖的修正。
• 使用一阶和二阶微扰规范群方程计算希格斯四次耦合和自耦合的跑动，完整包含对隐秘规范耦合g₄的依赖。
• 通过调节隐秘规范耦合和S场数量（N_S），证明当p = 0.35时，模型在普朗克尺度下仍保持微扰性。

实验结果

研究问题

• RQ1 电弱对称性破缺能否完全由希格斯四次耦合通过辐射修正驱动，而无需负质量项，同时在普朗克尺度下保持微扰性？
• RQ2 一个在标准模型对称性下不带电的标量场S，如何在不破坏微扰性的情况下诱导出对希格斯自耦合的大修正？
• RQ3 与标准模型相比，该模型中有效三重和四重希格斯自耦合的定量增强程度是多少？
• RQ4 动量依赖修正和有效势的高阶导数如何影响预测的希格斯自耦合？
• RQ5 该模型能否通过其独特的希格斯自耦合结构和大型强子对撞机（LHC）现象学与传统单态希格斯扩展区分开来？

主要发现

• 有效三重希格斯自耦合相对于标准模型预测值增强最多达80%，具体取决于隐秘规范耦合g₄。
• 有效四重希格斯自耦合相对于标准模型预测值增强最多达300%，最大增强出现在较低微扰尺度处。
• 在主导阶近似下，有效耦合为λ³_CW = (5/3)λ²_CW 和 λ⁴_CW = (11/3)λ²_CW，与标准模型关系λ³_SM = λ⁴_SM 显著偏离。
• 当隐秘规范耦合被调节至p = N_S g₄² / (16π²) ≈ 0.35时，模型在普朗克尺度下保持微扰性。
• 希格斯粒子与费米子和规范玻色子的耦合仍完全与标准模型一致，因为新标量S未获得真空期望值，且不直接参与电弱对称性破缺。
• 高阶圈修正和动量依赖效应使预测的自耦合略高于主导阶值，其中二阶圈结果显示出适度的μ依赖性。