[论文解读] Vacuum stability bounds on Higgs coupling deviations

Kfir Blum, Raffaele Tito D’Agnolo+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用 16

一句话总结

该论文表明，若在LHC上观测到希格斯耦合偏离10–20%以上，则即使这些新玻色子不直接与希格斯粒子耦合，也表明需要新玻色子来稳定希格斯真空。通过规范场论演化分析，该研究显示，在仅含费米子的模型中，若大Yukawa耦合导致真空不稳定，则必须在~100 TeV以下存在新玻色子，因此希格斯耦合测量可作为探测直接探测之外的新物理的手段。

ABSTRACT

We analyze the constraints imposed by Higgs vacuum stability on models with new fermions beyond the Standard Model. We focus on the phenomenology of Higgs couplings accessible at the Large Hadron Collider. New fermions that affect Higgs couplings lead to vacuum instability of the Higgs potential. Above the scale of vacuum instability, bosonic states must stabilize the potential, implying a cut-off to the pure fermion model. Conservatively tuning the models to produce the maximal cut-off for a given Higgs coupling effect, we show that observing a deviation in the $Htt$, $H$-diphoton, or $H$-digluon coupling, larger than 20$%$, would require that new bosons exist in order to stabilize the Higgs potential below about 100 TeV. For generic parameter configurations, and unless the new fermions are made as light as they can possibly be given current experimental constraints, observing a 10$%$ deviation in any of these couplings would suggest an instability cut-off below 10-100 TeV. Similarly, if new bosons are absent up to a high scale, then a deviation in the $Hbb$ or $Hττ$ coupling, larger than about 20$%$, should be accompanied by a sizable deviation in the $Zbb$ or $Zττ$ couplings that can be conclusively tested with electroweak precision measurements at planned lepton colliders.

研究动机与目标

• 确定产生可观测希格斯耦合偏离的纯费米子模型的紫外截断标度（Λ_UV）上限。
• 评估希格斯耦合偏离（例如Htt、Hγγ、Hbb）是否意味着存在新规范玻色子以稳定希格斯势能。
• 通过规范场论演化（RGE）将LHC可观测的希格斯耦合异常与真空稳定性约束联系起来。
• 通过展示此类模型预测的希格斯耦合偏离低于10%，为在高能标下无新玻色子的模型（如分裂超对称）提供可预测框架。

提出的方法

• 分析在新费米子的大Yukawa耦合下，希格斯自耦合的规范场论演化（RGE）。
• 应用真空稳定性约束，推导出希格斯势能变得不稳定的紫外截断标度（Λ_UV）上限。
• 使用微扰RGE分析计算希格斯四次耦合变为负值的标度，以标志不稳定性。
• 保守地调整费米子模型，以在给定希格斯耦合偏离下使Λ_UV最大化，假设在Λ_UV以下无新玻色子。
• 将预测的希格斯耦合偏离与预期的LHC及未来轻子对撞机灵敏度（如ILC、CEPC）进行比较。
• 评估来自电弱精确测量的间接约束，特别是Zbb和Zττ耦合，以检验与纯费米子模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 产生可观测希格斯耦合偏离的纯费米子模型的最大紫外截断标度（Λ_UV）是多少？
• RQ2 希格斯耦合偏离需达到多大，才能意味着在~100 TeV以下存在新玻色子以稳定真空？
• RQ3 若Zbb或Zττ耦合保持与SM一致，Hbb或Hττ耦合的偏离是否仍与纯费米子模型相容？
• RQ4 真空稳定性约束在多大程度上排除了LHC上希格斯耦合异常的纯费米子模型？
• RQ5 在无新玻色子存在的高能标下（如分裂超对称），希格斯耦合测量对这类模型有何影响？

主要发现

• 若Htt、Hγγ或Hgg耦合偏离达20%或以上，则必须在~100 TeV以下存在新玻色子以稳定希格斯势能。
• 若这些耦合中任一者偏离达10%，则除非新费米子质量处于当前约束允许的范围内，否则真空不稳定性标度将低于10–100 TeV。
• 若Hbb或Hττ耦合偏离超过~20%，则Zbb或Zττ耦合需在千分之一量级出现相应偏离，该偏离可在计划中的轻子对撞机上检验。
• 若未来GigaZ装置排除此类Z极点偏离，则可排除用于解释希格斯耦合异常的纯费米子模型。
• 若在LHC上观测到HWW或HZZ耦合偏离，也将因强烈的真空稳定性约束而排除纯费米子模型。
• 在高能标下无新玻色子的模型（如分裂超对称）预测的希格斯耦合修正太小，无法在LHC上被探测到，除非费米子质量极轻。