[论文解读] Higgs Theory and Phenomenology in the Standard Model and MSSM

Howard E. Haber|ArXiv.org|Dec 10, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文综述了标准模型（SM）和最小超对称标准模型（MSSM）中的希格斯玻色子理论与现象学，重点讨论了顶夸克对撞机和大型强子对撞机（LHC）上的希格斯玻色子发现前景，以及在LHC和未来$e^+e^-$直线对撞机上的精确测量。其主要贡献在于识别出MSSM中的解耦极限——即最轻的希格斯玻色子与标准模型希格斯玻色子相似——作为精确希格斯物理的主要挑战，因为仅通过耦合测量难以将其与标准模型希格斯玻色子区分开来。

ABSTRACT

A short review of the theory and phenomenology of Higgs bosons is given, with focus on the Standard Model (SM) and the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). The potential for Higgs boson discovery at the Tevatron and LHC, and precision Higgs studies at the LHC and a future e+e- linear collider are briefly surveyed. The phenomenological challenge of the approach to the decoupling limit, where the properties of the lightest CP-even Higgs boson of the MSSM are nearly indistinguishable from those of the SM Higgs boson is emphasized.

研究动机与目标

• 评估标准模型（SM）和最小超对称标准模型（MSSM）中希格斯玻色子的理论与现象学现状。
• 基于当前实验约束，评估顶夸克对撞机和大型强子对撞机（LHC）上希格斯玻色子发现的潜力。
• 研究在LHC和未来$e^+e^-$直线对撞机上进行精确希格斯研究的挑战，特别是MSSM解耦极限的背景下。
• 研究当重希格斯态非常重时，区分MSSM中最轻的CP偶宇称希格斯玻色子与标准模型希格斯玻色子的范例困难。
• 探讨辐射修正以及MSSM参数如$\tan\beta$和$m_A$如何影响希格斯耦合，并研究从精确测量中提取模型参数的可行性。

提出的方法

• 利用对精确电弱数据的全局拟合来约束SM希格斯玻色子质量，得出95%置信水平上限为$m_{h_{\rm SM}} < 193$ GeV。
• 应用从希格斯势在至普朗克尺度保持稳定的要求中导出的理论质量上限，使用跑动耦合方程。
• 分析MSSM中的解耦极限，其中最轻的CP偶宇称希格斯玻色子（$h$）的耦合趋同于SM希格斯玻色子，偏离量按$m_Z^2/m_A^2$缩放。
• 对未来的$e^+e^-$直线对撞机上希格斯耦合测量进行模拟，假设对$hbb$、$h\tau\tau$和$hgg$耦合的实验精度为1–3%。
• 在$m_A$–$\tan\beta$平面上构建$\chi^2$等高线，以评估希格斯分支比和耦合偏差对重希格斯质量的约束。
• 考虑辐射修正对希格斯耦合的影响，特别是当$\tan\beta$较大且$m_A$较小时，由于$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$，$hb\bar{b}$耦合受到抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 从精确电弱数据和LEP上的直接搜索中，当前对SM希格斯玻色子质量的约束是什么？
• RQ2 在解耦极限下，MSSM中最轻的CP偶宇称希格斯玻色子的性质如何趋同于SM希格斯玻色子？其现象学后果是什么？
• RQ3 在未来的$e^+e^-$直线对撞机上，需要多高的希格斯耦合测量精度，才能在解耦区域区分MSSM与SM？
• RQ4 MSSM中的辐射修正如何影响$hb\bar{b}$耦合？在哪些参数区域会导致对重希格斯质量的敏感度降低？
• RQ5 希格斯耦合的偏差能否为MSSM中重希格斯态（$m_A$）的质量提供间接约束？这些约束如何依赖于$\tan\beta$？

主要发现

• 从精确电弱数据得出的SM希格斯玻色子质量95%置信水平上限为$m_{h_{\rm SM}} < 193$ GeV，与LEP直接搜索结果一致，后者在95%置信水平下排除了$m_{h_{\rm SM}} < 114.4$ GeV。
• 在MSSM中，当$m_A \gg m_Z$时的解耦极限导致最轻的CP偶宇称希格斯玻色子（$h$）的耦合几乎无法与SM希格斯玻色子区分，这对精确希格斯研究构成重大挑战。
• 在未来的$e^+e^-$直线对撞机上，对矢量玻色子和第三代费米子的希格斯耦合可实现1–3%的测量精度，从而能够对SM预测的偏离进行敏感检验。
• 希格斯耦合相对于SM预期的相对偏差按$m_Z^2/m_A^2$缩放，这意味着只有高精度测量才能探测解耦极限下的重希格斯 sector。
• 在$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$的区域（由于辐射修正导致），$hb\bar{b}$耦合被抑制，即使观察到与SM耦合的偏离，对$m_A$的敏感度也会丧失。
• 从希格斯耦合测量的全局拟合中对$m_A$的约束对$\tan\beta$高度敏感；在某些情况下，例如当$\cos(\beta - \alpha) \simeq 0$时，无法在动力学极限之外获得对$m_A$的有意义约束。