[论文解读] No Higgs at the LHC

J.J. van der Bij|ArXiv.org|Apr 22, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文探讨了希格斯玻色子可能因隐形衰变或与单态标量场混合，而在大型强子对撞机（LHC）上无法被发现，导致希格斯共振峰展宽或完全隐形。研究提出，具有额外空间维度的高维模型可自然地产生这种展宽的希格斯传播子，与LEP-200数据中的异常现象一致，暗示希格斯玻色子可能在LHC上被隐藏，但可通过国际线性对撞机（ILC）的精密测量探测到。

ABSTRACT

I discuss the question whether it is possible that the LHC will find no signal for the Higgs particle. It is argued that in this case singlet scalars should be present that could move in extra, even fractional, dimensions. A critical view at the existing electroweak data shows that this possibility might be favored over the simplest standard model. In this case one needs the ILC in order to study the Higgs sector.

研究动机与目标

• 探究即使希格斯玻色子存在，LHC仍可能无法探测到其存在的可能性，从而挑战强子对撞机中‘无损失定理’在新物理中的适用性。
• 分析电弱精确测量数据中的不一致性，特别是底夸克的正向-反向不对称性与其它测量结果之间的张力，暗示希格斯 sector 可能超出标准模型。
• 提出一种标准模型的最小扩展，通过单态标量场实现希格斯玻色子的隐形衰变或混合为分数态希格斯粒子。
• 研究高维模型（最高六维），其中希格斯传播子获得连续态结构，使其在LHC上不可探测。
• 将该模型与LEP-200数据异常相协调，包括98 GeV处的2.3σ超额和115 GeV处的1.7σ超额，解释为展宽希格斯共振的信号。

提出的方法

• 引入一个带有超可重整化相互作用 $ H\Phi^\dagger\Phi $ 的单态标量扩展希格斯 sector，该相互作用在量子层面避免生成 $ H^3 $、$ H^4 $ 或 $ H^2\Phi^\dagger\Phi $ 项，从而保持可重整化性。
• 使用Källén-Lehmann谱表示法，将希格斯传播子建模为一组或积分态的叠加：$ D_{\sigma\sigma}(k^2) = \int ds\, \rho(s)/(k^2 + s - i\epsilon) $，允许出现展宽或连续态共振。
• 构建一个希格斯场在 $ d > 4 $ 维空间中传播的高维模型，导致传播子发生修正：$ D_{\sigma\sigma}(q^2) = \left[q^2 + M^2 - \mu_{\text{lhd}}^{8-d}(q^2 + m^2)^{(d-6)/2}\right]^{-1} $，其中 $ d=5 $ 或 $ 6 $。
• 对LEP-200数据进行拟合，将98 GeV处的超额解释为谱密度中的δ函数峰，115 GeV处的超额解释为谱密度中的连续态成分，均基于谱密度框架。
• 分析不变质量函数的隐形分支比，允许在LHC上完全抑制尖锐希格斯峰，同时保持标准模型的分支比。
• 比较 $ d=5 $ 与 $ d=6 $ 模型，发现 $ d=5 $ 模型在实验不确定度范围内对数据的拟合更稳健。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于隐形衰变或与单态标量场混合，LHC是否可能探测不到存在的希格斯玻色子？
• RQ2 观测到的电弱精确测量数据中的张力——特别是 $ A_{FB}(b) $ 与其他测量之间的差异——是否可通过扩展的希格斯 sector 解释？
• RQ3 具有 $ d=5 $ 或 $ d=6 $ 维的高维希格斯模型是否能产生与LEP-200数据一致的展宽或隐形希格斯共振？
• RQ4 由额外维度引起的连续态希格斯传播子是否会使希格斯玻色子在LHC上不可探测，但仍在ILC上可测量？
• RQ5 LEP-200在98 GeV和115 GeV处的异常是否可解释为高维模型中展宽希格斯共振的证据？

主要发现

• $ d=5 $ 模型在实验不确定度范围内良好拟合LEP-200数据，得到允许范围：$ 95 < m < 101 $ GeV，$ 111 < M < 121 $ GeV，以及 $ 26 < \mu_{\text{lhd}} < 49 $ GeV。
• $ d=6 $ 模型仅在受限范围内拟合：$ 95 < m < 101 $ GeV，$ 106 < M < 111 $ GeV，以及 $ 22 < \mu_{\text{lhd}} < 27 $ GeV，表明其不如 $ d=5 $ 情况受青睐。
• 该模型预测存在一个展宽或隐形的希格斯共振，将在LHC上逃逸探测，但与电弱精确测量数据一致。
• LEP-200数据中98 GeV处的2.3σ超额被解释为Källén-Lehmann谱密度中的δ函数峰，而115 GeV处的1.7σ超额则归因于传播子的连续态成分。
• 该模型可通过一个稳定、弱耦合的单态标量场提供暗物质候选，与隐形衰变通道一致。
• 本文结论认为，LHC可能未观测到任何希格斯信号，但若该情景成立，国际线性对撞机（ILC）将是深入探测希格斯 sector 的关键。