[论文解读] Higgs sectors with exotic scalar fields

Kei Yagyu|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了具有奇异标量场的希格斯 sector——特别是那些变换于更高同位旋表示（如三重态、四重态和七重态）的场——以希格斯三重态模型（HTM）作为关键范例。研究表明，此类模型在树幅阶预测了rho参数的偏离、新型$H^\pm W^\mp Z$顶点、增强的$hVV$耦合，以及独特的对撞机信号，如双荷希格斯玻色子的同荷轻子衰变，其中$H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$通道在大型强子对撞机（LHC）中是关键探测手段。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson like particle with the mass of around 126 GeV has given us a great clue to know what is the true Higgs sector. New physics models at the TeV scale often introduce Higgs sectors extended from the minimal form, so that the determination of the Higgs sector can be a probe of new physics models. In this talk, we focus on the Higgs sector with exotic representation fields whose isospin is larger than 1/2. We first discuss the general features of exotic Higgs sectors, and then we consider several concrete models to clarify them. The phenomenology of the Higgs triplet model is discussed as the simple but important example.

研究动机与目标

• 研究扩展了奇异标量场的希格斯sector的唯象学特征，特别是同位旋大于1/2的情况。
• 将希格斯三重态模型（HTM）作为此类奇异希格斯sector的典型范例进行分析。
• 识别双荷希格斯玻色子（$H^{\pm\pm}$）在HTM中的独特对撞机信号，如同荷轻子衰变和二玻色子衰变。
• 通过环图诱导的SM型希格斯玻色子耦合修正，探索对HTM的间接探测，特别是$h\to\gamma\gamma$、$hVV$和$hhh$。
• 建立希格斯耦合偏离与真空稳定性及幺正性约束之间的关联。

提出的方法

• 为具有$N$个同位旋$T_i$和超荷$Y_i$的多重态的一般希格斯sector建立形式体系，从标量势中推导出真空期望值（VEVs）和质量谱。
• 对希格斯三重态模型（HTM）进行详细分析，包括电弱rho参数的树幅阶破缺及物理希格斯质量谱的结构。
• 推导出带电希格斯玻色子（$H^{\pm\pm}, H^{\pm}$）的质量谱，作为三重态VEV $v_\Delta$ 和四次耦合$\lambda_4, \lambda_5$的函数，其质量顺序取决于$\lambda_5$。
• 计算$H^{\pm\pm}$在四个不同质量区域的衰变分支比，主要衰变模式分别为：区域I的$\ell^\pm\ell^\pm$，区域II的$W^\pm W^\pm$，区域III的$H^{\pm}W^{\pm*} \to b\bar{b}W^{\pm*}W^{\pm*}$，以及区域IV的$\to \ell^\pm \ell^\pm \ell^\pm \ell^\pm$。
• 在HTM中计算$h\to\gamma\gamma$、$hVV$和$hhh$顶点的单圈修正，包括重整化及与物理可观测量的匹配。
• 量化希格斯耦合偏离之间的关联，针对$h\to\gamma\gamma$速率出现+30\%或-40\%偏移时，给出$hVV$和$hhh$耦合的特定预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 同位旋大于1/2的奇异希格斯sector如何在树幅阶修改电弱rho参数？
• RQ2 在希格斯三重态模型中，双荷希格斯玻色子（$H^{\pm\pm}$）的对撞机信号有何独特特征？其依赖于质量和耦合参数的机制如何？
• RQ3 HTM中$H^{\pm\pm}$和$H^{\pm}$的圈效应是否可显著改变$h\to\gamma\gamma$衰变宽度？这些修正与其它希格斯耦合之间有何关联？
• RQ4 真空稳定性与微扰幺正性对HTM参数空间有何约束？这些约束如何影响希格斯耦合偏离的允许范围？
• RQ5 如何利用$H^{\pm\pm}$的质量层次与衰变模式来区分HTM中的不同参数区域？

主要发现

• 希格斯三重态模型预测电弱rho参数在树幅阶偏离单位值，实验数据约束其三重态VEV必须很小，即$v_\Delta \lesssim 10^{-2}$ GeV。
• 在奇异希格斯sector中，$H^\pm W^\mp Z$顶点在树幅阶出现，提供标准模型中不存在的独特信号。
• 在HTM中，$hVV$耦合（其中$V = W, Z$）可显著增强，尤其当三重态对希格斯门道有显著贡献时。
• 在区域I中，$H^{\pm\pm} \to \ell^\pm\ell^\pm$衰变模式是直接探测最有利的，但当$m_{H^{\pm\pm}} \lesssim 400$ GeV时，已为LHC数据所排除。
• 当$m_{H^{\pm\pm}} \approx 180$ GeV时，利用8 TeV下10 fb$^{-1}$积分亮度，可在5$\sigma$水平探测到$H^{\pm\pm} \to W^\pm W^\pm$模式。
• 若$h\to\gamma\gamma$宽度出现+30\%的偏离，则预测$hVV$顶点将发生-0.1\%的偏移，$hhh$顶点将发生-10\%的偏移，各耦合间存在强关联，且与真空稳定性和幺正性约束一致。