[论文解读] Leading two-loop corrections to the Higgs di-photon decay in the Inert Doublet Model

Masashi Aiko, Johannes Braathen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文首次在无规范耦合极限下，利用Higgs低能定理与完整的树上重整化，评估了惰性双重态模型（IDM）中Higgs双光子衰变的主导二阶修正。研究发现，二阶修正显著增强了与标准模型的偏离，尤其在轻暗物质或重Higgs玻色子的场景中，使其成为未来对撞机数据解释中不可或缺的部分。

ABSTRACT

Leading two-loop contributions to the di-photon decay of the Higgs boson are evaluated for the first time in the Inert Doublet Model (IDM). We employ for this calculation the Higgs low-energy theorem, meaning that we obtain corrections to the Higgs decay process by taking Higgs-field derivatives of the leading two-loop contributions to the photon self-energy. Specifically, we have included purely scalar corrections involving inert BSM Higgs bosons, as well as external-leg contributions involving both the inert scalars and fermions. Our calculation has been performed with a full on-shell renormalization, and in the gauge-less limit. We investigate our results numerically in two scenarios of the IDM: one with a light dark matter (DM) candidate (Higgs resonance scenario), and another with all additional scalars heavy (heavy DM scenario). In both cases, we find that the inclusion of two-loop corrections qualitatively modifies the behavior of the decay width, compared with the one-loop ($i.e.$ leading) order, and that they increase the deviation from the Standard Model. These large deviations can be tested at the High-Luminosity LHC.

研究动机与目标

• 计算惰性双重态模型（IDM）中Higgs双光子衰变宽度的主导二阶贡献，IDM是一种具有暗物质候选者的基准新物理理论。
• 评估二阶修正对Higgs衰变宽度的影响，特别是在惰性标量较轻或较重的场景中。
• 通过两种独立方法——背景场方法与截面技术——确保计算的一致性与可靠性。
• 评估二阶修正对于解释HL-LHC与未来对撞机中Higgs双光子衰变精密测量的必要性。
• 量化这些修正如何改变衰变宽度的行为，与一阶结果相比，特别是在惰性标量质量分裂存在的情况下。

提出的方法

• 利用Higgs低能定理，通过取二阶光子自能对Higgs场的导数，计算Higgs双光子衰变的二阶修正。
• 采用完整的树上重整化与无规范耦合极限，确保在IDM中结果的一致性与有限性。
• 使用背景场方法与截面技术进行两次独立计算，以交叉验证结果并确保规范不变性。
• 包含所有涉及惰性Higgs玻色子、规范玻色子以及外部腿上带有惰性标量、规范玻色子与费米子的二阶图。
• 在两个基准场景中对结果进行数值评估：轻暗物质（Higgs共振）场景与重Higgs场景。
• 将二阶结果与一阶预测进行比较，以评估高阶修正的定性与定量影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 主导二阶修正如何影响惰性双重态模型中Higgs双光子衰变宽度？
• RQ2 在惰性标量较轻或较重的场景中，二阶修正在多大程度上改变了与标准模型预测的偏离？
• RQ3 为可靠解释当前与未来对撞机中观测到或未观测到的Higgs双光子衰变宽度偏离，是否需要考虑二阶修正？
• RQ4 使用背景场方法与截面技术得到的两套独立计算结果如何比较？这对计算的一致性意味着什么？
• RQ5 惰性标量之间的质量分裂在增强Higgs双光子衰变宽度中非解耦效应方面起什么作用？

主要发现

• 在轻暗物质与重Higgs两种场景中，包含二阶修正后，Higgs双光子衰变宽度的行为与一阶结果相比发生了定性改变。
• 二阶修正显著增大了与标准模型预测的偏离，在某些参数区域，偏离程度可达一阶水平的数倍之多。
• 使用背景场方法与截面技术的两套独立计算结果完全一致，证实了结果的一致性与可靠性。
• 二阶贡献对于可靠解释HL-LHC与未来正负电子对撞机中潜在的Higgs双光子衰变宽度偏离至关重要。
• 在轻暗物质场景中，二阶效应使一阶偏离放大至两倍左右，使精密测量中的信号更加显著。
• 结果表明，重惰性标量的非解耦效应在二阶微扰中被强烈增强，尤其在质量分裂较大时更为显著。