[论文解读] Higgs Particles in the Standard Model and Supersymmetric Theories

Margarete Mühlleitner|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 20

一句话总结

本论文对标准模型（SM）和最小超对称标准模型（MSSM）中的希格斯玻色子性质进行了全面的理论分析，重点研究了大型强子对撞机（LHC）和e+e−直线对撞机上的发现与精确测量。论文评估了γγ和WW融合过程中的希格斯玻色子产生、标准模型中的寿命测量，以及通过双希格斯和三希格斯产生过程研究的三重希格斯自耦合。研究表明，在500 GeV e+e−对撞机上，标准模型的三重自耦合可实现20%的测量精度；而MSSM中的自耦合仅在特定参数区域和特定实验策略下可被探测到。

ABSTRACT

This thesis presents a theoretical analysis of the properties of the Higgs bosons in the Standard Model (SM) and the minimal supersymmetric extension (MSSM), which can be investigated at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. The final goal is the reconstruction of the Higgs potential and thus the verification of the Higgs mechanism. MSSM Higgs boson production processes at future $γγ$ colliders are calculated in several decay channels. Heavy scalar and pseudoscalar Higgs bosons can be discovered in the $b\bar{b}$ final state in the investigated mass range 200 to 800 GeV for moderate and large values of $ anβ$. The $τ^+τ^-$ channel provides a heavy Higgs boson discovery potential for large values of $ anβ$. Several mechanisms that can be exploited at $e^+e^-$ linear colliders for the measurement of the lifetime of a SM Higgs boson in the intermediate mass range are analysed. In the $WW$ mode, the lifetime of Higgs scalars with masses below $\sim 160$ GeV can be determined with an error less than 10%. The reconstruction of the Higgs potential requires the measurement of the Higgs self-couplings. The SM and MSSM trilinear Higgs self-couplings are accessible in double and triple Higgs production. A theoretical analysis is presented in the relevant channels at the LHC and $e^+e^-$ linear colliders. For high luminosities, the SM trilinear Higgs self-coupling can be measured with an accuracy of 20% at a 500 GeV $e^+e^-$ linear collider. The MSSM coupling among three light Higgs bosons has to be extracted from continuum production. The other trilinear Higgs couplings are measurable in a restricted range of the MSSM parameter space. At the LHC, the $Hhh$ coupling can be probed in resonant decays.

研究动机与目标

• 重建希格斯势以验证标准模型和MSSM中的希格斯机制。
• 评估未来γγ和e+e−对撞机在MSSM中对重希格斯玻色子的发现能力。
• 为标准模型希格斯玻色子在中等质量范围内的寿命发展精确测量技术。
• 通过双希格斯和三希格斯产生研究SM和MSSM中三重希格斯自耦合的可探测性。
• 利用LHC和e+e−对撞机数据，识别MSSM参数空间中可测量的希格斯自耦合区域。

提出的方法

• 计算MSSM希格斯玻色子在γγ碰撞中的产生截面，涵盖多种衰变道（b¯b、τ+τ−、SUSY末态）。
• 应用纵向W玻色子融合近似，计算WW → HiHj和WW → AA过程中重希格斯对产生的截面。
• 利用有效拉格朗日量和圈修正，推导MSSM中三重希格斯自耦合的解析表达式。
• 对500 GeV e+e−对撞机中的双希格斯和三希格斯产生过程进行理论分析，包括Hhh、HHH和希格斯辐射过程。
• 采用宽度和分支比形式化方法，确定SM和MSSM希格斯玻色子的总宽度和寿命。
• 应用相空间积分和亮度缩放，估算高亮度对撞机上的发现能力与测量灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在200–800 GeV质量范围内，MSSM中的重希格斯玻色子在γγ对撞机中通过b¯b末态如何被发现？
• RQ2 e+e−直线对撞机对低于160 GeV的SM希格斯玻色子寿命的探测灵敏度如何？哪些衰变道可实现该测量？
• RQ3 在500 GeV e+e−直线对撞机上，SM三重希格斯自耦合能否以20%的精度测量？哪些过程支持该测量？
• RQ4 在MSSM参数空间的哪些区域，可通过希格斯对产生探测三重希格斯自耦合（如Hhh、HHH、HAA）？
• RQ5 MSSM中的希格斯自耦合，特别是轻希格斯玻色子的三重自耦合，如何依赖于MSSM参数？其主要产生机制是什么？

主要发现

• 在中等至较大的tan β值下，MSSM中的重标量和赝标量希格斯玻色子可在200–800 GeV质量范围内通过b¯b末态被发现。
• 在大tan β值下，τ+τ−衰变道为MSSM中重希格斯玻色子（特别是H±和A0玻色子）的发现提供了潜力。
• 在e+e−直线对撞机上，利用WW衰变道，可对低于∼160 GeV的SM希格斯玻色子寿命实现优于10%的测量精度。
• 在高亮度条件下，SM三重希格斯自耦合可在500 GeV e+e−直线对撞机上以20%的精度测量。
• MSSM中三个轻希格斯玻色子（h0h0h0）之间的三重自耦合必须通过连续态产生过程提取，因其分支比极小。
• MSSM中的共振Hhh自耦合可通过希格斯玻色子衰变在LHC上探测，尤其在H → hh → bb̄bb̄通道中。