[论文解读] Phenomenology and Theory of Possible Light Higgs Bosons

Gordon Kane, Brent Nelson+2 more|ArXiv.org|Apr 14, 2003

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

一句话总结

本文研究了15种在实验上物理上不同的情形，即在LEP排除极限115 GeV以下可能存在一个或多个轻希格斯玻色子，尽管尚未直接发现。该研究识别出一些模型——特别是具有增强希格斯扇区混合或新规范对称性的MSSM扩展——能够自然地容纳更重的希格斯质量，而无需精细调参，表明LEP的零结果可能源于产生或衰变率被抑制，而非希格斯玻色子的不存在。

ABSTRACT

We study the implications of the absence of a direct discovery of a Higgs boson at LEP. First we exhibit 15 physically different ways in which one or more Higgs bosons lighter than the LEP limit could still exist. In the minimal supersymmetric standard model (MSSM) all of these, as well as the cases where the Higgs mass equals or exceeds 115 GeV, seem fine-tuned. We examine some interpretations of the fine tuning in high scale theories. The least fine-tuned MSSM outcome will have a Higgs mass at 115 GeV, while approaches that extend the MSSM at the weak scale can naturally have larger Higgs masses.

研究动机与目标

• 解释尽管MSSM中存在轻希格斯的间接证据，为何LEP未直接探测到希格斯玻色子。
• 识别出在产生或衰变率被抑制的情况下，115 GeV以下的希格斯玻色子仍可存在的物理上不同的模型。
• 评估MSSM中的精细调参问题，并探索可实现更重希格斯而无需不自然参数调整的扩展模型。
• 评估LEP的零结果是否指向弱尺度的新物理，如扩展的希格斯扇区或新规范对称性。
• 研究高能标理论中自然性的理论基础，以及三线A项在实现无精细调参的重希格斯质量中的作用。

提出的方法

• 系统性地列出15种现象学上不同的模型，其中115 GeV以下的希格斯玻色子由于产生截面或分支比降低而逃逸了LEP的探测。
• 以MSSM框架为基准，包含软对称性破缺项和规范群 $SU(3)\times SU(2)\times U(1)$，并通过引入新标量场或规范对称性加以扩展。
• 通过 $C_{ZZH_i} = (g_2 M_Z / \cos\theta_W) C_i$ 分析希格斯玻色子与 $ZZ$ 的耦合，使用近似值以约束信号强度。
• 通过检查对希格斯质量所需的单圈修正来评估精细调参，特别关注MSSM中 $\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$ 的情形。
• 评估三线A项和标量质量在实现 $A_t \simeq -2m_0$ 以实现自然电弱对称性自发破缺中的作用。
• 探索弦理论和GUT启发的模型（如稀释子主导、相交D膜构造），以识别能自然产生大A项而无需精细调参的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 LEP希格斯搜索的零结果能否由希格斯产生或衰变率被抑制来解释，而非希格斯玻色子的不存在？
• RQ2 在哪些物理上不同的情形下，一个或多个质量低于115 GeV的希格斯玻色子仍可存在而不与LEP数据矛盾？
• RQ3 自然电弱对称性自发破缺的要求如何约束MSSM中三线A项和标量质量？
• RQ4 在弱尺度上对MSSM的扩展——如额外的U(1)规范对称性——是否能自然地产生更重的希格斯玻色子而无需精细调参？
• RQ5 特定软对称性破缺项（如 $A_t \simeq -2m_0$）对高能标理论中的自然性和统一性有何影响？

主要发现

• 存在15种不同的情形，其中115 GeV以下的希格斯玻色子由于产生或衰变率被抑制而逃逸了LEP探测，包括 $m_h \simeq 98$ GeV 和 $m_A \simeq 89$ GeV 的情形（情形1）。
• 最小MSSM中 $m_h = 115$ GeV 的情形需要显著的精细调参，因为单圈修正必须提供 $\delta m_h^2 \simeq (70~\text{GeV})^2$ 才能达到观测质量。
• 在弱尺度上引入新标量混合的MSSM扩展能够自然地实现更重的希格斯玻色子而无需精细调参，尤其当 $A_t \simeq -2m_0$ 时。
• 具有非简并软项的模型——如稀释子主导或相交D膜构造——能自然地生成 $A_t \simeq -2m_0$，从而减少精细调参。
• 当 $m_h \simeq 115$ GeV 且 $m_A \simeq m_H > 115$ GeV 时（情形10），该模型与mSUGRA兼容，若 $\tan\beta \simeq 3-50$，则可避免精细调参。
• 存在隐形衰变（$h \to \tilde{N}_1\tilde{N}_1$）或CP破坏衰变（$H_2 \to H_1H_1$）的场景可解释信号缺失，尤其在 $\tan\beta \simeq 8-50$ 的模型中。