[论文解读] Large Two-loop Effects in the Higgs Sector as New Physics Probes

Sichun Sun|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文在一种简化的标准模型之外的场景中计算了两圈量子修正，该场景包含一个与希格斯玻色子耦合的实 singlet 标量，发现在标量质量小于质心系能量一半时，对 $e^+e^-\to Zh$ 截面有显著修正，并出现复的三希格斯耦合。这些效应提供了一种新的 CP 破坏来源，表明在低质量标量区域，高阶圈计算对于精确约束至关重要，其效果超越了有效场论方法。

ABSTRACT

We consider a simple Higgs portal model in beyond the standard model scenario: an extra real gauge singlet scalar that couples to the Higgs. We calculate the higher-loop corrections to the cross section of the Higgsstrahlung process $e^+e^- ightarrow Z h$, along with the tri-Higgs coupling and the wave-function renormalization. We find noticeable contribution to the total Higgsstrahlung cross section, especially coming from two-loop diagrams. We also find that the correction to the tri-Higgs coupling is complex when this extra scalar is lighter than half of the center of mass energy. It indicates a new source of CP violation. In the region of this extra scalar being lighter than a couple of hundreds of GeVs, we argue that the higher-loop calculation is a more reliable approach than the effective field theory calculation.

研究动机与目标

• 研究通过 $Z_2$ 对称通道与希格斯玻色子耦合的实 singlet 标量对标准模型的最小扩展中的高阶圈量子修正。
• 评估在低质量标量区域（有效场论失效区域）中，高阶圈计算（超越一阶圈）的有效性与必要性。
• 探讨这些修正对 $e^+e^-\to Zh$ 截面的影响，这是未来轻子对撞机中的关键精密观测量。
• 研究复三希格斯耦合的出现及其对 CP 破坏和电弱重子生成的含义。
• 评估两圈效应在约束轻标量 singlet 模型参数空间中的作用，特别是在电弱相变背景下的意义。

提出的方法

• 研究采用通过 $H^\tau H \tilde{\rho}^2$ 相互作用项与希格斯玻色子耦合的实标量 singlet，保持 $Z_2$ 对称性。
• 利用三类图类分解法计算 $e^+e^-\to Zh$ 过程的两圈修正：三希格斯耦合修正、波函数归一化修正及其他两圈贡献。
• 使用专门的数值工具（包括 FIESTA 包）来计算多圈张量积分，获得半数值结果。
• 在 250 GeV 和 500 GeV 的质心系能量下评估修正，重点关注标量质量低于几百 GeV 的情况。
• 分析包含完整两圈振幅，特别关注当 $m_\rho < \frac{1}{2}\bar{s}$ 时三希格斯耦合的虚部和复部。
• 将结果与一阶圈波函数归一化修正及有效场论近似进行比较，以评估其有效性与局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有实 singlet 标量的希格斯通道模型中，两圈修正如何影响 $e^+e^-\to Zh$ 截面？
• RQ2 三希格斯耦合在何种条件下获得复相位，其现象学意义是什么？
• RQ3 为何当新标量较轻（低于几百 GeV）时，有效场论方法不足以描述希格斯辐射过程？
• RQ4 两圈效应在 $Zh$ 产生截面中对一阶圈贡献的抵消或增强程度如何？
• RQ5 该模型中的两圈修正能否提供一种对电弱重子生成具有物理意义的新 CP 破坏来源？

主要发现

• 两圈对 $e^+e^-\to Zh$ 截面的贡献在量级上与一阶圈波函数归一化修正相当，且在标量质量低于希格斯玻色子质量时通常部分抵消后者。
• 当 $m_\rho < \frac{1}{2}\bar{s}$ 时，三希格斯耦合的修正变为复数，表明存在标准模型中不存在的新 CP 破坏来源。
• 三希格斯耦合修正对总截面的影响估计为 $ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $，其中 $ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $，显示出对耦合 $ \rho $ 的非平凡依赖。
• 波函数归一化修正为 $ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $，其中 $ \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} \to \frac{\bar{\rho}\rho}{\rho} $，在 $ \bar{s} = 500 $ GeV 时量级为 $ 0.05 \times \text{Re}(\rho) $。
• 发现在标量质量低于几百 GeV 时，两圈效应比有效场论更可靠，尤其在 ILC、CEPC 和 FCC-ee 等未来 $e^+e^-$ 对撞机背景下。
• 该模型通过单个实标量在希格斯 sector 中提供了一种新的 CP 破坏机制，可能对电弱重子生成具有意义，尽管对希格斯势的热两圈修正留待未来工作。