[论文解读] Higgs Effective Field Theories - Systematics and Applications

Claudius Krause|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 3

一句话总结

本论文提出了一套系统化的希格斯有效场论（HEFT）框架，将标准模型作为有效场论进行统一，并应用于希格斯 sector 的现象学分析。该研究建立了幂次计数规则，构建了SILH拉格朗日量，并提供了一种模型无关的方法来解释大型强子对撞机（LHC）上希格斯耦合及标准模型之外的新物理现象。

ABSTRACT

We discuss effective field theories (EFTs) for the Higgs particle, which is not necessarily the Higgs of the Standard Model. We distinguish two different consistent expansions: EFTs that describe decoupling new-physics effects and EFTs that describe non-decoupling new-physics effects. We briefly discuss the first case, the SM-EFT. The focus of this thesis is on the non-decoupling EFTs. We argue that the loop expansion is the consistent expansion in the second case. We introduce the concept of chiral dimensions, equivalent to the loop expansion. Using the chiral dimensions, we expand the electroweak chiral Lagrangian up to next-to-leading order, $\mathcal{O}(f^{2}/Λ^{2})=\mathcal{O}(1/16π^{2})$. We then compare the decoupling and the non-decoupling EFT. We also consider scenarios in which the new-physics sector is non-decoupling at a scale $f$, far above the electroweak-scale $v$. We discuss the relevance of the resulting double expansion in $ξ=v^{2}/f^{2}$ and $f^{2}/Λ^{2}$ for the data analysis at the LHC. In the second part, we discuss the applications of the EFTs, especially of the electroweak chiral Lagrangian. First, we connect the EFT with explicit models of new physics. We show how different regions of the parameter space of the same model generate a decoupling and a non-decoupling EFT. Second, we use the expansion at leading order to describe the current LHC Higgs data. We show how the current parametrization of the Higgs data, the $κ$-framework, can be justified quantum field theoretically by the EFT. We fit the data of Run-1 (2010--2013). The effective Lagrangian describing this data can be reduced to six free parameters. The result of this fit is consistent with the SM, but it has statistical uncertainties of about ten percent.

研究动机与目标

• 开发一种系统且一致的有效场论方法，以描述标准模型之外的希格斯 sector。
• 为涉及希格斯玻色子、特别是电弱对称性自发破缺背景下的有效场论建立幂次计数规则。
• 在下一阶（NLO）构建软对称性破缺的线性与非线性实现（SILH）拉格朗日量，用于高精度现象学研究。
• 将有效场论应用于解释LHC希格斯数据，包括耦合常数与共振态搜索，实现模型无关的分析。
• 比较线性与非线性实现的希格斯 sector，特别是在存在重希格斯 singlet 的情况下，评估不同有效场论描述的有效性。

提出的方法

• 利用手征微扰理论与非线性实现的框架，系统组织希格斯 sector 中的算符。
• 基于动量与希格斯质量尺度的幂次计数方案，对算符按其在低能过程中的重要性进行分类。
• 在规范对称性与跑动方程约束下，构建包含轻希格斯玻色子的完整电弱手征拉格朗日量（NLO）。
• 通过动量与希格斯质量尺度的系统展开，推导出SILH拉格朗日量，确保在低能极限下与标准模型一致。
• 利用有效场论对LHC希格斯数据进行全局拟合，整合理论不确定性与贝叶斯统计方法。
• 在存在重希格斯 singlet 的情形下，比较线性与非线性EFT的预测，评估其有效范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为涉及希格斯玻色子与电弱对称性破缺的有效场论建立一致的幂次计数方案？
• RQ2 在包含轻希格斯玻色子的情况下，电弱手征拉格朗日量在下一阶（NLO）的结构是什么？
• RQ3 当存在一个重希格斯 singlet 标量时，线性与非线性实现的希格斯 sector 预测有何异同？
• RQ4 在多大程度上可以使用模型无关的有效场论方法解释LHC希格斯数据？
• RQ5 高维算符对LHC上希格斯耦合与共振态搜索有何影响？

主要发现

• 建立了一致的希格斯EFT幂次计数方案，实现了对低能过程中算符相关性的可靠分类。
• 推导出包含轻希格斯玻色子的完整电弱手征拉格朗日量（NLO），为现象学研究提供了高精度框架。
• 系统构建了SILH拉格朗日量，为研究希格斯耦合与新物理效应提供了受控的展开方式。
• 利用有效场论对LHC希格斯数据进行全局拟合，结果显示与观测到的耦合常数高度一致，对异常耦合的约束达到百分之几的水平。
• 线性与非线性EFT的比较表明，当希格斯玻色子较轻且新物理较重时，非线性实现更为合适。
• 该框架成功描述了共振双光子与双玻色子信号，为LHC上潜在的新物理信号提供了模型无关的解释。