[论文解读] The Higgs singlet extension at LHC Run 2

Guillaume Chalons, David López-Val+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文研究了标准模型的实Higgs单重态扩展，重点关注大型强子对撞机（LHC）运行2期间质量高达1 TeV的重Higgs玻色子（H）的唯象学。文章更新了来自电弱精确测量、直接LHC搜索以及Higgs信号强度的约束，并计算了在规范参数无关条件下H→hh衰变宽度的下一阶电弱修正，结果表明修正值仅为百分之几，理论不确定性处于千分之一量级。

ABSTRACT

We discuss the current status of theoretical and experimental constraints on the real Higgs singlet extension of the Standard Model. For the second neutral (non-standard) Higgs boson the mass range up to 1 TeV accessible at past and current collider experiments is considered. We furthermore discuss electroweak corrections to the H to hh partial decay width within this model.

研究动机与目标

• 利用LHC运行2的数据，更新标准模型实Higgs单重态扩展的理论与实验约束。
• 在考虑直接搜索、信号强度和精确测量的前提下，评估质量高达1 TeV的重Higgs玻色子（H）在该模型中的可行性。
• 以规范参数无关的方式计算H→hh衰变宽度的下一阶电弱修正。
• 确保与真空稳定性、微扰性、幺正性以及电弱精确测量的一致性。
• 在所有当前约束条件下，为14 TeV LHC提供基准场景和产额截面预测。

提出的方法

• 该模型通过一个实单重态标量场S扩展了标准模型的Higgs规范，保持Z₂对称性，并包含一个具有参数m²、μ²、λ₁、λ₂、λ₃的一般可重整化标量势。
• 物理Higgs态h和H通过混合角α定义，其中h为125 GeV的SM型Higgs，H为较重的态，使用输入参数mₕ、mₕ、sinα、v和tanβ = v/vₛ。
• 约束通过HiggsBounds 4.3.1和HiggsSignals 1.4.0获得，整合了LHC运行2的限制、信号强度测量以及电弱精确测量（S、T、U）。
• 采用非线性规范固定方法，通过依赖非线性量δ̃ᵢ的规范固定拉格朗日量，在Sloops框架中实现自动一阶圈修正计算。
• 通过改进的最小壳方案确保H→hh衰变宽度修正的规范参数无关性，即在p*² = (mₕ² + mₕ²)/2处计算自能，取ξW = ξZ = 1且δ̃ᵢ = 0。
• 采用两种独立的模型实现方式验证结果，所有修正均在αₐₘ输入方案下计算电弱参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实Higgs单重态模型中，当前实验与理论约束对重Higgs玻色子H的质量与混合角的限制是什么？
• RQ2 电弱精确测量、真空稳定性与微扰性如何限制单重态模型的参数空间？
• RQ3 H→hh衰变宽度的下一阶电弱修正量级如何？其对h与H质量的依赖关系如何？
• RQ4 LHC运行2的信号强度测量与直接搜索在多大程度上限制了该模型中Higgs产额截面？
• RQ5 在非线性规范化的标量模型中，能否可靠地获得H→hh衰变宽度的规范参数无关结果？

主要发现

• 最大允许的|sinα|受多种可观测量限制：电弱精确测量（S、T、U）与W玻色子质量测量在高质质量区域给出最强限制。
• RG演化耦合λ₁的微扰性与幺正性约束进一步限制了参数空间，其中前者对tanβ = 0.1特别敏感。
• 在14 TeV LHC下，H→SM末态的产额截面被限制在信号强度测量的1σ与2σ范围内，且直接LHC搜索已排除大范围参数区域。
• 对于H→hh衰变，部分宽度的NLO电弱修正通常在百分之几量级，理论不确定性处于千分之一水平。
• 通过在p*² = (mₕ² + mₕ²)/2处采用改进的最小壳方案，结合ξW = ξZ = 1与δ̃ᵢ = 0，成功实现了δm²ₕₕ的规范参数无关结果，确保了物理一致性。
• 图3中的黄色排除区域对应微扰性破坏，表明在大H质量下，较大的tanβ值（此处定义为vₛ/v）被排除。