[论文解读] Off-Shell Higgs Coupling Measurements in BSM scenarios

Christoph Englert, Yotam Soreq+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

本文研究了非壳层Higgs耦合测量作为新物理（BSM）的探针，特别是在涉及六维算符、共振态和Higgs门户模型的场景中。研究表明，只有在特定模型假设下，非壳层Higgs信号强度才能约束Higgs总宽度，其中干涉效应和运动学关联在解释中起关键作用，尤其是在MSSM和有效场论扩展中。

ABSTRACT

Proposals of measuring the off-shell Higgs contributions and first measurements at the LHC have electrified the Higgs phenomenology community for two reasons: Firstly, probing interactions at high invariant masses and momentum transfers is intrinsically sensitive to new physics beyond the Standard Model, irrespective of a resonant or non-resonant character of a particular BSM scenario. Secondly, under specific assumptions a class of models exists for which the off-shell coupling measurement together with a measurement of the on-shell signal strength can be re-interpreted in terms of a bound on the total Higgs boson width. In this paper, we provide a first step towards a classification of the models for which a total width measurement is viable and we discuss examples of BSM models for which the off-shell coupling measurement can be important in either constraining or even discovering new physics in the upcoming LHC runs. Specifically, we discuss the quantitative impact of the presence of dimension six operators on the (de)correlation of Higgs on- and off-shell regions keeping track of all interference effects. We furthermore investigate off-shell measurements in a wider context of new (non-)resonant physics in Higgs portal scenarios and the MSSM.

研究动机与目标

• 评估将非壳层Higgs测量解释为对BSM情景中Higgs玻色子总宽度的约束的可行性。
• 分析六维算符在改变壳层与非壳层Higgs区域之间相关性方面的作用，包括干涉效应。
• 评估非壳层Higgs测量对Higgs门户模型和MSSM中非共振与共振新物理的灵敏度。
• 识别出非壳层测量能提供超出标准模型的独特约束或发现的模型类别。
• 建立标准——如双比值 R(mZZ) ≈ 1——以确定何时非壳层信号强度可有意义地与Higgs宽度关联。

提出的方法

• 使用包含六维算符的有效场论（EFT）来建模BSM对Higgs耦合和产生振幅的修正。
• 应用双比值 R(mZZ) = μ_off / μ_on 来量化壳层与非壳层信号强度之间的一致性，作为Higgs宽度解释的诊断工具。
• 对gg → ZZ → 4ℓ过程中高不变质量区（mZZ > 330 GeV）中SM与BSM贡献之间的干涉效应进行定量分析。
• 考虑显式BSM模型：一个带有新重标量φ的简化Higgs门户模型、MSSM，以及一般2HDM/nHDM扩展。
• 采用部分子级振幅和Breit-Wigner传播子来建模共振贡献及其与SM顶夸克圈图的干涉。
• 通过mZZ的微分截面分布进行数值验证，比较不同混合角和共振质量下的SM预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种模型假设下，非壳层Higgs耦合测量可被解释为对Higgs总宽度的约束？
• RQ2 SM与BSM贡献之间的干涉效应如何影响壳层与非壳层Higgs信号强度之间的相关性？
• RQ3 六维算符在多大程度上改变了壳层与非壳层Higgs区域之间的（去）相关性？
• RQ4 在哪些BSM情景中——如MSSM或Higgs门户模型——非壳层测量对新物理具有独特灵敏度？
• RQ5 需要哪些运动学和模型依赖性标准（例如 R(mZZ) ≈ 1）才能使非壳层数据的有效解释与Higgs宽度关联？

主要发现

• 将非壳层Higgs信号强度解释为对Higgs总宽度的探针，仅在特定模型假设下成立，例如式（15）中的假设，即Higgs对SM粒子的耦合是普遍的。
• 双比值 R(mZZ) ≈ 1（在不确定度范围内）是将非壳层数据解释为约束Higgs宽度的必要条件，如式（7）所示。
• 六维算符引起的干涉效应显著改变了壳层与非壳层区域之间的相关性，尤其是在共振阈值附近。
• 在带有重标量φ的Higgs门户模型中，当mZZ较大时（例如 mφ = 350 GeV，cos²χ = 0.5），非壳层信号可能增强，但仅在中等混合角下成立，受电弱精确性约束限制。
• 当 mZZ ≳ 400 GeV 时，微分截面趋近于SM极限，这是由于线性混合和渐近解耦合所致，验证了在高能下SM行为的正确性。
• 非壳层测量并非普遍对Higgs宽度敏感；在存在新TeV尺度共振态或电弱磁算符的场景中，信号可能源于与Higgs无关的新物理。