[论文解读] Gravitational Decay Modes of the Standard Model Higgs Particle

Y. Srivastava, A. Widom|ArXiv.org|Mar 31, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出，标准模型的希格斯玻色子可通过树图级引力耦合衰变为两个引力子，其衰变速率与引力常数 G 无关，原因在于希格斯产生的惯性质量与引力质量在物理上等价。关键结果表明，在底夸克对和顶夸克对阈值之间的希格斯玻色子质量范围内，该衰变模式主导了光子和喷注衰变，为希格斯搜索中量子引力的潜在信号提供了可能。

ABSTRACT

If the Einstein field equations are employed at the tree level, then the decay of the standard model Higgs particle into two gravitons is shown to be independent of the gravitational coupling strength G. The result follows from the physical equivalence between the Higgs induced ``inertial mass'' and the ``gravitational mass'' of general relativity. If the Higgs mass lies well between the mass of a bottom quark anti-quark pair and the mass of a top quark anti-quark pair, then the Higgs decay into two gravitons will dominate both the QED induced two photon decay and the QCD induced two jet decays.

研究动机与目标

• 在广义相对论与标准模型的框架下，探索希格斯玻色子的引力衰变模式。
• 解决广义相对论中希格斯产生的惯性质量与引力质量之间概念上的鸿沟。
• 确定在特定质量条件下，希格斯玻色子衰变为两个引力子是否可能主导其他衰变通道。
• 提出此类衰变可作为量子引力及引力子产生的间接实验探测手段。

提出的方法

• 在树图层级应用爱因斯坦场方程，推导出希格斯场与应力-能量张量迹的耦合有效作用量。
• 利用希格斯真空期望值与标量曲率 R 的关系，将有效作用量表示为引力拉格朗日密度 L_g 的形式。
• 通过惯性质量与引力质量的等价性，证明引力耦合常数 G 在最终衰变速率表达式中被抵消。
• 使用量子场论形式体系计算希格斯玻色子衰变为两个引力子的振幅矩阵元，得出与 G 无关的衰变速率公式。
• 将树图层级的引力子衰变速率与一阶圈图的 QED 和 QCD 衰变过程（如 H→γγ 和 H→gg）进行比较，表明前者显著更大。
• 分析动力学阈值，识别出 H→gg 主导于 W+W−、ZZ 及夸克对衰变的质量区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯玻色子是否能在不依赖引力耦合强度 G 的前提下，通过树图级过程衰变为两个引力子？
• RQ2 希格斯产生的惯性质量与引力质量之间的物理等价性是否导致 H→gg 衰变速率与 G 无关？
• RQ3 在何种希格斯玻色子质量范围内，H→gg 衰变主导于 H→γγ 和 H→qq̄ 等其他衰变通道？
• RQ4 H→gg 衰变是否可作为高能实验中量子引力的可探测信号？
• RQ5 H→gg 的衰变速率与 QCD 中的一阶圈过程 H→gg 在定量上如何比较？

主要发现

• 希格斯玻色子衰变为两个引力子的衰变速率为 Γ(H→g+g) = (1/16π)(M_H / M_F)²(M_H c² / ℏ)，与引力常数 G 无关。
• 该衰变速率以费米耦合常数表示为 Γ(H→g+g) = (√2 / 16π)(G_F M_H² / ℏc)(M_H c² / ℏ)，进一步证实其与 G 无关。
• 当希格斯玻色子质量介于 2m_b 与 2m_t 之间时，H→gg 衰变速率主导于 H→γγ 和 H→qq̄ 衰变。
• 由于引力耦合为树图级，H→gg 衰变速率超过一阶圈图 H→γγ 衰变速率超过 10⁶ 倍。
• 当希格斯玻色子质量低于这些末态的阈值时，H→gg 衰变也主导于 W+W− 和 ZZ 对的衰变。
• 尽管末态引力子无法直接探测，但过程 p+p̄→H→g+g 可通过缺失能量信号被探测到，类似于 Z→νν̄ 的探测方式。