[论文解读] Effective Theory of Higgs Sector Vacuum States

Daniel Egaña-Ugrinovic, Scott Thomas|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 13

一句话总结

本文提出一种有效场论（EFT）框架，系统描述标准模型中具有重电弱单重态或双态的希格斯 sector 真空态。通过按重质量标度的幂次组织算符而非按维度，该框架识别出希格斯耦合的主导阶修正——在单重态模型中稀释所有标准模型类希格斯相互作用，而在双态模型中则实现更丰富的、与相位相关的T破坏和味破坏效应，同时确保EFT与混合描述在壳散射振幅上的一致性。

ABSTRACT

The effective field theory description for modifications of Standard Model-like Higgs boson interactions arising from tree-level mixing with heavy Higgs sector vacuum states without conserved quantum numbers is presented. An expansion in terms of effective operator dimension based on powers of the heavy mass scale rather than operator dimension is utilized to systematically organize interactions within the effective theory. Vacuum states arising from electroweak singlet extensions of the Higgs sector yield at leading order only two effective dimension-six operators. One of these uniformly dilutes all the interactions of a single physical Higgs boson as compared with Standard Model expectations, while the combination of the two operators give more general modifications of all remaining interactions with two or more physical Higgs bosons. Vacuum states arising from an additional electroweak doublet yield three types of effective dimension-six operators that modify physical Higgs boson couplings to fermion pairs, self-couplings, and introduce four-fermion interactions. However, in this case modification of physical Higgs boson interactions with massive gauge bosons arise at leading order only from three effective dimension-eight operators. If the underlying Yukawa couplings of the additional electroweak doublet satisfy the Glashow-Weinberg condition then time reversal violation at effective dimension-six depends on a single universal phase appearing only in couplings of physical Higgs bosons to fermion pairs. In all cases the couplings of any three physical states in the effective theory description must be equal to those in a unitary mixing description in order for the long distance non-analytic components of physical on-shell scattering amplitudes to agree, while in contrast couplings of four or more physical states in general differ due to short distance effects.

研究动机与目标

• 系统组织标准模型希格斯耦合在具有重真空态的扩展希格斯结构中的偏离。
• 开发一种基于重质量标度假数展开而非算符维度的有效场论（EFT）框架。
• 识别并分类单重态与双态扩展中希格斯耦合、自相互作用、味破坏与时间反演破坏的主导阶有效算符。
• 建立EFT与基于混合的描述在壳散射振幅上的一致性，特别是针对三体过程。
• 在两希格斯双态模型（2HDM）中，分离出控制时间反演破坏与味破坏的通用相位，尤其在Glashow-Weinberg条件下。

提出的方法

• 通过在解耦极限下积分掉重的SU(2)单重态或双态，构建威耳逊低能有效理论。
• 采用质量标度假数展开——按重质量标度假数组织算符而非经典算符维度——系统分类相互作用。
• 推导单重态与双态模型中希格斯与规范玻色子、费米子及自相互作用的主导阶有效维度六和维度八算符。
• 识别出由于长距离振幅约束，三线性希格斯耦合必须在EFT与混合描述之间匹配。
• 通过在2HDM中分离出在Glashow-Weinberg条件下费米子耦合中的单一通用相位，分析时间反演破坏。
• 在2HDM EFT中推导四费米子算符与味破坏的希格斯耦合，结果与tanβ无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在混合基之外系统组织扩展模型中希格斯 sector 真空态的唯象学？
• RQ2 在缺乏守恒量子数的重希格斯态模型中，有效算符的正确展开参数是什么？
• RQ3 为何EFT与基于混合的希格斯耦合描述在四点函数中存在差异，尽管在三点函数中一致？
• RQ4 在单重态与双态扩展中，希格斯与规范玻色子及费米子耦合的主导阶修正为何？
• RQ5 在2HDM EFT中，时间反演破坏如何编码？哪些参数控制T破坏过程中的单一通用相位？

主要发现

• 在单重态希格斯模型中，主导阶仅出现两个有效维度六算符：一个统一缩放所有标准模型类希格斯耦合，另一组合允许对多希格斯相互作用进行一般修正。
• 在两希格斯双态模型中，三类维度六算符修正了希格斯与费米子的耦合、自耦合，并引入四费米子相互作用，而规范玻色子耦合仅在维度八修正。
• EFT中三个物理希格斯态的耦合必须与混合描述中的结果匹配，以保持壳散射振幅的长距离非解析行为。
• 当物理态超过四个时，EFT与混合描述因短距离效应而不同，导致无法直接比较。
• 在Glashow-Weinberg条件下，2HDM中维度六的T破坏仅依赖于一个单一通用相位，且仅出现在希格斯-费米子耦合中。
• 2HDM EFT中的味破坏效应完全由维度六四费米子算符与希格斯-Yukawa耦合捕获，结果与tanβ无关，并受EDM与味异常约束。