[论文解读] Complex Vacuum and Lightness of Higgs Boson

Shou-hua Zhu|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，ATLAS 和 CMS 在约 125 GeV 处发现的希格斯玻色子的轻质量，与两希格斯双生模型中通过复真空实现的自发 CP 破坏密切相关。通过引入一个 CP 破坏相位参数 ξ，当 ξ ≠ 0 时，最轻的中性希格斯玻色子才具有质量；而在 CP 保守极限（ξ → 0）下，其质量趋近于零——这与戈尔登玻色子的行为一致。关键结果表明，希格斯玻色子的轻质量是由自发 CP 破坏保护的，而不仅仅是通过对称性或如超对称等新物理机制。

ABSTRACT

The CP violation observed in K- and B-mesons can be successfully accommodated via the CKM matrix in the standard model. However the additional CP violation is required in order to induce the matter and anti-matter asymmetry observed in the Universe. The additional CP violation can be induced by complex vacuum, namely the spontaneous CP violation. In this paper we reveal the intimate connection of the spontaneous CP violation and the lightness of the Higgs boson, which was recently discovered by ATLAS and CMS at the LHC.

研究动机与目标

• 探索标准模型之外希格斯玻色子轻质量的起源。
• 研究真空中的自发 CP 破坏是否能自然解释希格斯质量层次问题。
• 在两希格斯双生模型中，建立希格斯玻色子轻质量与 CP 破坏相位参数 ξ 之间的联系。
• 证明在 CP 保守极限下，最轻的希格斯玻色子表现为戈尔登玻色子，暗示存在动力学保护机制。

提出的方法

• 构建一个具有复真空的两希格斯双生模型，引入 CP 破坏相位参数 ξ。
• 构造一个具有实参数 λi 和复真空期望值的 CP 不变量希格斯势能，利用 Φ†Φ 的实部与虚部分类各项。
• 对中性希格斯态的 3×3 对称质量矩阵进行对角化，以提取物理质量与混合角。
• 使用基准参数集（v = 175 GeV，tanβ = 1，λ7 = -2，其余为 1）数值分析希格斯质量随 ξ 的依赖关系。
• 研究 ξ → 0 的极限，证明最轻的希格斯玻色子趋于无质量，类似于戈尔登玻色子。
• 证明在自发 CP 破坏下，只有最轻的希格斯玻色子是轻的，其余则显著更重。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子的轻质量是否可由自发 CP 破解而非如超对称等新对称性来解释？
• RQ2 当真空为 CP 保守时（ξ → 0），希格斯质量谱会发生什么变化？
• RQ3 在两希格斯双生模型中，CP 破坏相位参数 ξ 如何影响最轻中性希格斯玻色子的质量？
• RQ4 在 CP 保守极限下，最轻希格斯玻色子质量为零是否为自发 CP 破坏模型的普遍特征？
• RQ5 由于真空的复杂性，125 GeV 处观测到的希格斯玻色子是否可理解为 CP 偶与 CP 奇态的混合态？

主要发现

• 在 CP 保守极限（ξ → 0）下，最轻的中性希格斯玻色子变为无质量，其性质与中性戈尔登玻色子相同。
• 最轻希格斯玻色子质量 m_h1 随 ξ → 0 而趋近于零，而 m_h2 与 m_h3 保持显著更重。
• 对于基准参数集，当 ξ 从 0 增加到 π/2 时，m_h1 从接近零增至数 GeV，表明其质量与 CP 破坏存在直接依赖关系。
• 在所有 ξ 值下，其余两个中性希格斯玻色子（m_h2 与 m_h3）均远重于 m_h1，表明存在层级质量谱。
• 最轻希格斯玻色子的质量由自发 CP 破坏相位 ξ 保护，暗示其质量具有动力学起源。
• 观测到的 125 GeV 希格斯玻色子并非纯 CP 偶标量，而是由于真空复杂性而成为 CP 偶与 CP 奇成分的混合态。