[论文解读] TASI 2013 lectures on Higgs physics within and beyond the Standard Model

Heather E. Logan|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 16

一句话总结

本文为标准模型（SM）中希格斯机制提供了教学性介绍，详细阐述了希格斯玻色子的相互作用、衰变以及在强子和$e^+e^-$对撞机中的产生过程。文章通过两个案例研究拓展至新物理领域：双希格斯双重态模型展示了最小 flavor 破坏，三重态标量模型则说明了宇称对称性，为理解希格斯现象学和模型构建的约束提供了关键洞见。

ABSTRACT

These lectures start with a detailed pedagogical introduction to electroweak symmetry breaking in the Standard Model, including gauge boson and fermion mass generation and the resulting predictions for Higgs boson interactions. I then survey Higgs boson decays and production mechanisms at hadron and $e^+e^-$ colliders. I finish with two case studies of Higgs physics beyond the Standard Model: two-Higgs-doublet models, which I use to illustrate the concept of minimal flavor violation, and models with isospin-triplet scalar(s), which I use to illustrate the concept of custodial symmetry.

研究动机与目标

• 为电弱对称性自发破缺及标准模型中希格斯玻色子相互作用提供全面且教学性的介绍。
• 调查在强子和$e^+e^-$对撞机中标准模型希格斯玻色子的衰变与产生机制，包括大型强子对撞机（LHC）中的分支比和耦合提取。
• 通过两个案例研究探索新物理中的希格斯物理：味守恒的双希格斯双重态模型与保持宇称对称性的标量三重态。
• 通过具体的模型构建，阐明最小味破坏和宇称对称性等基础概念。
• 为研究生和研究人员提供理论工具，以分析LHC中的希格斯数据并解释与标准模型预测的偏差。

提出的方法

• 利用希格斯双重态场在标准模型中推导希格斯机制，通过自发对称性破缺导致$W^\pm$、$Z$玻色子和费米子获得质量。
• 通过Yukawa相互作用计算希格斯玻色子与规范玻色子及费米子的耦合，其中希格斯真空期望值$v = 246$ GeV为关键参数。
• 使用微扰场论和单位性规范，分析希格斯玻色子衰变为费米子、$W^+W^-$、$ZZ$以及圈图诱导模式（$gg$、$\gamma\gamma$、$Z\gamma$）的衰变。
• 评估强子对撞机（通过胶子融合、矢量玻色子融合等）和$e^+e^-$对撞机（通过$W^+W^-$融合和$Z$玻色子融合）中的希格斯产生截面。
• 引入双希格斯双重态模型（2HDM）以研究味守恒动力学及Yukawa对齐的概念，确保自然味守恒。
• 通过$\rho$参数作为电弱精确性约束的诊断工具，研究标量三重态模型中宇称对称性的破坏与恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，希格斯机制如何为$W^\pm$、$Z$玻色子和费米子生成质量？
• RQ2 在大型强子对撞机（LHC）和未来的$e^+e^-$对撞机中，希格斯玻色子的主要衰变模式和产生机制是什么？
• RQ3 双希格斯双重态模型如何实现最小味破坏？Yukawa对齐带来了哪些约束？
• RQ4 标量三重态以何种方式破坏或保持宇称对称性？这对$\rho$参数有何影响？
• RQ5 LHC中希格斯信号速率的偏差能否通过不可见或未观测到的衰变模式来解释，而不改变可观测信号速率？

主要发现

• 希格斯玻色子衰变为底夸克的宽度为$\Gamma(h\to b\bar{b}) = \frac{3}{8\pi} \frac{m_b^2}{v^2} m_h \left(1 - \frac{4m_b^2}{m_h^2}\right)^{3/2}$，其中$v = 246$ GeV。
• 标准模型中希格斯自耦合为$-3i m_h^2 / v$，树图阶的$hhh$顶点为$-3i m_h^2 / v$，高维算符的修正会带来偏离。
• 在势能中包含$\phi^6$项的模型中，希格斯质量与自耦合受$1/\Lambda^2$比例的修正，从而改变SM中$m_h$与$hhh$的关系。
• 在希格斯耦合拟合中存在一个平坦方向：若将所有耦合按因子$\kappa$增加，同时引入一个分支比为BR$_{\text{new}} = \kappa^2 - 1$的未观测衰变模式，所有可观测信号速率将保持不变。
• 一个Hypercharge$Y=2$的SU(2)$_L$七重态可重现正确的$W$与$Z$玻色子质量比，若其为质量生成的唯一来源，则需$v_7 = v_{\text{SM}} \approx 246$ GeV。
• 仅靠七重态无法实现标准模型中所有质量的生成，因其无法在无额外Yukawa耦合的情况下生成费米子质量，且除非精细调节，否则会破坏宇称对称性。