[论文解读] New Physics Search via the Higgs Self-Coupling

Shinya Kanemura, Shingo Kiyoura+3 more|ArXiv.org|Sep 27, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在双 Higgs 双生模型（THDM）和最小超对称标准模型（MSSM）中，Higgs 自耦合（λhhh）的量子修正。结果表明，在 THDM 中，非解耦合的四次质量效应可导致与标准模型预测的偏差高达 100%，即使所有其他 Higgs 耦合均为标准模型类似。相比之下，由于圈修正被抑制，MSSM 展现出标准的解耦行为。

ABSTRACT

We discuss quantum corrections of new physics to the triple coupling of the lightest CP-even Higgs boson in the Two Higgs Doublet Model (THDM) and also in the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). In the THDM, quartic contributions of the mass of heavy particles in the loop can appear, which are not absorbed by renormalization of the Higgs boson mass. Such non-decoupling effects on the self-coupling can give corrections of ${\cal O}(100%)$, even when all measured Higgs couplings with gauge bosons and fermions are consistent with the Standard Model prediction. In the MSSM, the loop-corrections decouple in such a scenario.

研究动机与目标

• 研究双 Higgs 双生模型（THDM）中新的物理如何通过一阶量子修正影响 Higgs 自耦合 λhhh。
• 比较 THDM 与 MSSM 中重 Higgs 粒子的解耦行为，特别是非解耦合四次质量贡献的影响。
• 评估在 hVV 和费米子耦合为 SM 类似的情况下，未来直线对撞机（LCs）通过精确测量 λhhh 检测新物理的可能性。
• 确定在其他 Higgs 耦合与标准模型预测一致的前提下，THDM 中 λhhh 出现大偏差的条件。
• 评估软对称性破缺尺度 M 与重 Higgs 粒子质量在决定 λhhh 上非解耦合效应大小方面的作用。

提出的方法

• 使用涉及重 Higgs 粒子（H、A、H±）的一阶圈修正，在 THDM 中计算有效 Higgs 自耦合 λhhh^eff，其贡献按 mΦ⁴/v² 缩放，并受 (1 - M²/mΦ²)³ 抑制。
• 将相同框架应用于 MSSM，其中 Higgs 系统是 THDM 的弱耦合极限，推导出由顶夸克超伴子（stop）圈修正的贡献，其受 mₜ⁴/Mₛ² 抑制。
• 利用条件 sin²(α - β) ≈ 1 以确保 hVV 耦合与费米子耦合为 SM 类似，从而将自耦合作为新物理的关键探测量。
• 对重 Higgs 粒子质量（m_A、m_H、m_H±）与软对称性破缺尺度 M 进行数值分析，λhhh^eff 的行为受微扰幺正性与 ρ 参数约束。
• 评估 λhhh^eff(q²) 在非本征态 Higgs 粒子中的动量依赖性，特别是在 M → 0 极限下。
• 比较 THDM 中的 Model I 与 Model II，指出差异仅出现在带电 Higgs 耦合中，因 b → sγ 约束所致。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使所有其他 Higgs 耦合与标准模型一致，THDM 中 Higgs 自耦合 λhhh 是否仍可能出现显著偏差？
• RQ2 在 THDM 中，四次质量依赖（mΦ⁴）在 λhhh 圈修正中的作用是什么？它如何导致非解耦合效应？
• RQ3 在大 M 极限下，MSSM 中重 Higgs 贡献的解耦行为与一般 THDM 有何不同？
• RQ4 MSSM 中的顶夸克超伴子圈修正对 λhhh 的影响有多大？在何种参数选择下其贡献会超过 5%？
• RQ5 在积分亮度为 1 ab⁻¹（500 GeV）与 5 ab⁻¹（3 TeV）的直线对撞机上，λhhh 中新物理的可观测信号是什么？

主要发现

• 在 THDM 中，来自重 Higgs 粒子（H、A、H±）的非解耦合四次贡献可使 λhhh 的修正高达 100%，即使所有其他 Higgs 耦合均为 SM 类似。
• 最大非解耦合效应出现在 M → 0 极限下，此时抑制因子 (1 - M²/mΦ²)³ 消失，使 mΦ⁴ 贡献得以大幅释放。
• 当 m_A = 400 GeV 时，与 SM 预测的偏差可达约 100%，受微扰幺正性约束（m_A < 600 GeV）。
• 在 500 GeV 直线对撞机上，积分亮度为 1 ab⁻¹ 时，λhhh 的测量精度可达约 20%；在 3 TeV 上，积分亮度为 5 ab⁻¹ 时，精度可提升至约 7%。
• 在 MSSM 中，λhhh 的圈修正受 mₜ⁴/Mₛ² 抑制，表现出标准解耦行为；仅在轻量级顶夸克超伴子（小 Mₛ）情况下，其修正才可能超过 5%。
• 对非本征态 Higgs 粒子的 λhhh^eff(q²) 动量依赖性分析显示，在 M = 0 时存在显著变化，表明在非本征态区域对新物理高度敏感。