[论文解读] Phenomenology of the new light Higgs bosons in Gildener-Weinberg model

Kenneth Lane, Eric Pilon|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了在Gildener-Weinberg（GW）模型中轻希格斯玻色子的现象学，其中125 GeV的希格斯玻色子受到近似标度对称性的保护。结果表明，一个求和规则将所有新希格斯玻色子的质量限制在约500 GeV以下，使其在大型强子对撞机（LHC）上可探测，但由于自耦合被抑制，导致希格斯对和三重态的产生截面极小，即使在未来的100 TeV对撞机上也无法探测。因此，短期内直接寻找这些轻希格斯玻色子仍是检验该模型的最可行路径。

ABSTRACT

Gildener-Weinberg (GW) models of electroweak symmetry breaking are especially interesting because the low mass and nearly Standard Model couplings of the $125\,{ m GeV}$ Higgs boson, $H$, are protected by approximate scale symmetry. Another important but so far under-appreciated feature of these models is that a sum rule bounds the masses of the new charged and neutral Higgs bosons appearing in {\em all} these models to be below about $500\,{ m GeV}$. Therefore, they are within reach of LHC data currently or soon to be in hand. Also so far unnoticed of these models, certain cubic and quartic Higgs scalar couplings vanish at the classical level. This is due to spontaneous breaking of the scale symmetry. These couplings become nonzero from explicit scale breaking in the Coleman-Weinberg loop expansion of the effective potential. In a two-Higgs doublet GW model, we calculate $\lambda_{HHH} \simeq 2(\lambda_{HHH})_{ m SM} = 64\,{ m GeV}$. This corresponds to $\sigma(pp o HH) \cong 15$--$20\,{ m fb}$, its {\em minimum} value for $\sqrt{s} = 13$--$14\,{ m TeV}$ at the LHC. It will require at least the $27\,{ m TeV}$ HE-LHC to observe this cross section. We also find $\lambda_{HHHH} \simeq 4(\lambda_{HHHH})_{ m SM} = 0.129$, whose observation in $pp o HHH$ requires a $100\,{ m TeV}$ collider. Because of the above-mentioned sum rule, these results apply to {\em all} GW models. In view of this unpromising forecast, we stress that LHC searches for the new relatively light Higgs bosons of GW models are by far the surest way to test them in this decade.

研究动机与目标

• 分析电弱对称性自发破缺的Gildener-Weinberg（GW）模型中新轻希格斯玻色子的现象学。
• 识别由标度对称性及其显式破缺导致的希格斯质量与耦合的关键约束。
• 评估在LHC及未来对撞机上希格斯对与三重态产生的可探测性。
• 论证直接寻找新希格斯玻色子是当前十年内检验GW模型的最可行实验路径。

提出的方法

• 推导出GW模型中新希格斯玻色子质量的求和规则：(∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeV，该规则在一阶圈微扰理论下成立。
• 分析一个两希格斯双重态GW模型（GW-2HDM）中的经典希格斯势，该模型具有经典标度不变性，因此强制某些三线和四线耦合为零。
• 通过Coleman-Weinberg圈展开计算有效希格斯自耦合λHHH和λHHHH，这些耦合由于显式标度破缺而获得非零值。
• 利用推导出的耦合计算LHC及未来100 TeV对撞机上的pp → HH和pp → HHH产生截面。
• 将模型预测与现有的LHC数据及ATLAS和CMS的搜索极限进行比较，重点关注H± → t¯b、H2,A → b¯b和H2,A → ZH等衰变道。
• 评估当前及未来LHC数据对GW-2HDM参数空间的敏感性，特别是在tanβ < 1的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Gildener-Weinberg模型中，新带电及中性希格斯玻色子的质量界限是什么？它们如何由标度对称性产生？
• RQ2 为何在GW模型中某些三线和四线希格斯自耦合在经典水平上为零？它们如何通过量子修正生成？
• RQ3 GW模型中希格斯对与三重态产生的预测截面是多少？它们在LHC或未来对撞机上是否可探测？
• RQ4 新希格斯玻色子的哪些衰变道对当前LHC搜索最为可及？它们如何约束模型参数？
• RQ5 为何在200–500 GeV范围内对新希格斯玻色子的直接搜索被认为是当前十年内检验GW模型的最有望路径？

主要发现

• 求和规则(∑H M⁴H)¹ᐟ⁴ ≈ 540 GeV将GW模型中所有新希格斯玻色子的质量限制在约500 GeV以下，使其可在LHC上探测。
• 在GW模型中，三线希格斯自耦合λHHH被预测约为64 GeV，对应于√s = 13–14 TeV时pp → HH的产生截面为15–20 fb。
• 四线希格斯自耦合λHHHH估计为0.129，这意味着pp → HHH的截面小到即使在100 TeV对撞机上也无法探测。
• 由于希格斯自耦合被抑制，200–500 GeV范围内对新希格斯玻色子（H±, H2, A）的直接搜索是当前十年内检验GW模型的唯一可行实验路径。
• 当MH± ≈ 400 GeV且tanβ = 0.5时，H± → W⁺H₂的衰变宽度比H± → t¯b大70倍，表明H± → W⁺H₂ → ℓ⁺b¯b可能在t¯b搜索中被误识别。
• 当前LHC数据（140 fb⁻¹，13 TeV）已将H2,A → b¯b的tanβ限制在3–6以下，若tanβ > 0.2，未来Run 3数据将产生10³至数×10⁶个新希格斯玻色子。