[论文解读] Perturbative Unification and Higgs Boson Mass Bounds

K. S. Babu, Ilia Gogoladze+1 more|ArXiv.org|Oct 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 40

一句话总结

该论文提出对MSSM进行最小扩展，引入在SU(5)基础表示和单态中的矢量型物质，并通过横向SU(N)规范对称性与希格斯双态耦合，其Yukawa耦合常数较大。这使得Yukawa耦合在GUT尺度下仍保持微扰性，从而产生辐射修正，使最轻的希格斯玻色子质量提升至200–300 GeV，同时保持规范耦合统一性和质子衰变抑制。

ABSTRACT

Supersymmetric extensions of the Standard Model generally give a theoretical upper limit on the lightest Higgs boson mass which may be uncomfortably close to the current experimental lower bound of $m_h$ > 114 GeV. Here we show ways in which this upper limit on $m_h$ can be relaxed substantially in the perturbative regime, while maintaining the successful unification of gauge couplings as observed in the minimal scenario. A class of models is presented, which includes new vector-like matter with the quantum numbers of the 5, 5-bar and singlet representations of SU(5) and having Yukawa couplings (κ) to the usual Higgs doublet $H_u$. This new matter transforms non-trivially under a "lateral" SU(N) gauge symmetry, which enables the new Yukawa couplings κto be sizable, even larger than the top-quark Yukawa coupling, and still be perturbative at all momenta up to the unification scale of 10^{16} GeV. We find that, consistent with low energy constraints, $m_h$ can be raised to values as large as 200 - 300 GeV.

研究动机与目标

• 解决MSSM对最轻希格斯玻色子质量的理论上限（约130 GeV）与不断增长的实验下限（>114 GeV）之间的张力，后者迫使引入大量微调。
• 在显著提高希格斯质量至MSSM极限以上的同时，保持MSSM的关键优点——规范耦合统一性和维度6质子衰变抑制。
• 探究MSSM的最小扩展是否能在不放弃微扰统一性或大荒漠场景的前提下，产生对希格斯质量的显著辐射修正。
• 研究横向SU(N)规范对称性在使Yukawa耦合常数对希格斯玻色子保持较大且不破坏微扰性（直至GUT尺度）方面的作用。

提出的方法

• 引入变换为SU(5)的5、5̄和单态表示的新矢量型物质场，并通过Yukawa耦合（κ）与Hᵤ希格斯双态耦合。
• 假设一种新的‘横向’SU(N)规范对称性，其与SM规范群对易，并确保Yukawa耦合κ在10¹⁶ GeV以下保持微扰性。
• 使用有效势和辐射修正计算希格斯质量，重点关注一阶和二阶圈图中的主导项(Hᵤ†Hᵤ)²。
• 通过软对称性破缺拉格朗日量中的Aₖ项引入新矢量型态的左右混合，从而通过大Xₖ = Aₖ/μₖ增强希格斯质量修正。
• 求解规范耦合和Yukawa耦合的跑动方程（RGEs），确保在10¹⁶ GeV处实现统一，并与低能约束一致。
• 通过改变参数如αₗₐₜ（初始Yukawa耦合）、M_SUSY（SUSY尺度）和Aₖ，研究mₕ对这些输入的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MSSM对最轻希格斯玻色子质量的上限能否在保持10¹⁶ GeV处微扰统一性和规范耦合统一性的同时显著放宽？
• RQ2 在保持维度6质子衰变抑制和统一性的前提下，MSSM的最小扩展所能实现的最大希格斯质量是多少？
• RQ3 当Yukawa耦合常数在GUT尺度下保持微扰性时，对新矢量型物质（超越顶夸克耦合）的大Yukawa耦合如何贡献于希格斯质量？
• RQ4 矢量型态中的左右混合在增强希格斯质量修正中起什么作用？其对SUSY尺度的依赖性如何？
• RQ5 横向SU(N)规范对称性是否允许大Yukawa耦合而不破坏微扰性？这如何影响希格斯质量上限？

主要发现

• 引入具有SU(5)量子数并耦合至Hᵤ的矢量型物质，可在微扰区域内将最轻希格斯玻色子质量提升至200–300 GeV。
• 当αₗₐₜ = 0.3且M_SUSY = 1 TeV时，希格斯质量上限从MSSM的131 GeV提升至213 GeV；当Aₖ允许随M_SUSY²变化时，进一步上升至230 GeV。
• mₕ对M_SUSY的主导依赖性源于矢量型态中的左右混合，当Aₖ² ∼ M_SUSY² + M_V²时，该效应达到最大。
• 该模型在10¹⁶ GeV处保持微扰规范耦合统一性，并将维度6质子衰变抑制在可接受水平。
• 对于希格斯质量低于250 GeV的情况，该模型引入的微调可忽略不计，因此在现象学上可行，并与精确电弱数据一致。
• 当横向SU(N)规范耦合的β函数为零时，mₕ的上限达到最大；即使β = -3，上限仍保持较高，表明其具有鲁棒性。