[论文解读] Upper and lower Higgs boson mass bounds from a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model

Philipp Frederik Clemens Gerhold|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 186被引用 12

一句话总结

该格点场论研究通过在格点上使用动力费米子的规范不变Higgs-Yukawa模型，非微扰地确定了希格斯玻色子的上下质量界限。采用Neuberger重叠算符和PHMC算法，发现在Λ = 1000 GeV时下界约为80 GeV，在Λ = 1500 GeV时上界约为630 GeV，两者均依赖于截断能标，且与平凡性标度一致。

ABSTRACT

Motivated by the advent of the Large Hadron Collider the aim of the present work is the non-perturbative determination of the cutoff-dependent upper and lower mass bounds of the Standard Model Higgs boson based on first principle calculations, in particular not relying on additional information such as the triviality property of the Higgs-Yukawa sector or indirect arguments like vacuum stability considerations. For that purpose the lattice approach is employed to allow for a non-perturbative investigation of a chirally invariant lattice Higgs-Yukawa model, serving here as a reasonable simplification of the full Standard Model, containing only those fields and interactions which are most essential for the intended Higgs boson mass determination. These are the complex Higgs doublet as well as the top and bottom quark fields and their mutual interactions. To maintain the chiral character of the Standard Model Higgs-fermion coupling also on the lattice, the latter model is constructed on the basis of the Neuberger overlap operator, obeying then an exact global lattice chiral symmetry.

研究动机与目标

• 在不依赖真空稳定性或平凡性等间接假设的前提下，确定希格斯玻色子质量的非微扰上下界。
• 通过完全动力学的格点模拟，研究希格斯-费米子相互作用在生成下质量界中的作用。
• 在Higgs-Yukawa模型的强耦合区使用有限体积外推法确定上质量界。
• 通过与纯φ⁴理论比较，评估费米子自由度对上质量界的影响。
• 启动Lüscher方法在格点框架中计算希格斯玻色子宽度的应用。

提出的方法

• 该研究采用包含复希格斯双重态和顶/底夸克场的格点Higgs-Yukawa模型，模拟标准模型中希格斯-费米子相互作用的本质。
• 通过Neuberger重叠算符在格点上保持规范对称性，确保费米子部分的精确全局规范对称性。
• 通过适配至Higgs-Yukawa模型的PHMC算法处理动力费米子，实现包含完整费米子传播的非微扰模拟。
• 下质量界由约束有效势推导，并在Λ = 1000 GeV时通过数值模拟验证。
• 上质量界在强耦合区计算，并通过有限尺寸标度法外推至无限体积。
• 在小重正化四次耦合常数下应用Lüscher方法计算希格斯玻色子宽度，并与微扰理论结果比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无额外假设的前提下，仅由Higgs-fermi子相互作用产生的非微扰下质量界是多少？
• RQ2 上质量界如何依赖于格点截断能标？是否符合预期的平凡性标度行为？
• RQ3 与纯标量φ⁴理论相比，费米子自由度对上质量界有何贡献？
• RQ4 Lüscher方法能否成功应用于格点Higgs-Yukawa模型中计算希格斯玻色子宽度？
• RQ5 下质量界是否具有普适性，还是依赖于希格斯自相互作用的具体形式？

主要发现

• 在截断能标Λ = 1000 GeV时，下质量界约为80 GeV，该结果直接源于固定Yukawa耦合下的Higgs-fermi子相互作用。
• 下界并非普适，其值依赖于希格斯自相互作用的具体形式，如四次耦合结构。
• 在强耦合区经无限体积外推后，上质量界确定为约630 GeV（Λ = 1500 GeV）。
• 上界对截断能标的依赖关系呈现对数下降趋势，与Higgs-Yukawa部分的平凡性图像一致。
• 在小重正化四次耦合常数下，格点计算的希格斯宽度与微扰理论预测具有良好一致性，验证了Lüscher方法的有效性。
• 与纯φ⁴理论的直接比较表明费米子对上界有贡献，但需更高统计精度才能得出确定性结论。