不活性二重項模型におけるヒッグス粒子2光子崩壊に対する主要な2ループ補正

核心概念

不活性二重項模型（IDM）におけるヒッグス粒子の2光子崩壊幅に対する主要な2ループ補正は、崩壊幅の振る舞いを1ループレベルと比較して質的に変化させ、標準模型からのずれを増大させる。

要約

研究論文の概要

書誌情報

Aiko, M., Braathen, J., & Kanemura, S. (2024). Leading two-loop corrections to the Higgs di-photon decay in the Inert Doublet Model. arXiv preprint arXiv:2307.14976v2.

研究目的

本研究の目的は、素粒子物理学の標準模型（SM）を超える理論として提案されている不活性二重項模型（IDM）において、ヒッグス粒子が2つの光子に崩壊する過程（h→γγ）に対する2ループレベルの量子補正を初めて計算し、その現象論的影響を調べることである。

方法

本研究では、ヒッグス低エネルギー定理（LET）を用いて、主要な2ループ補正を計算した。この定理によれば、光子の自己エネルギーのヒッグス場微分を取ることで、有効なヒッグス-光子結合が得られる。計算は、ゲージレス極限、すなわちゲージ結合をゼロに保ちつつ、ワインバーグ角に関連するそれらの比を固定した状態で行われた。また、計算の精度を高めるために、2つの独立した計算方法、すなわち背景場法とピンチテクニックを採用した。さらに、数値計算には、公開されているプログラムH-COUPを用い、IDMの2つのシナリオ、すなわち、軽い暗黒物質（DM）候補を持つシナリオ（ヒッグス共鳴シナリオ）と、追加のすべてのスカラー粒子が重いシナリオ（重いヒッグスシナリオ）を検討した。

主な結果

2つのシナリオの両方において、2ループ補正を含めることで、崩壊幅の振る舞いが1ループレベルと比較して質的に変化し、標準模型からのずれが増大することがわかった。特に、軽いDMシナリオでは、2ループ補正を含めると、ヒッグス-光子結合のずれが約-5%に達する可能性があり、これは高輝度LHC（HL-LHC）で期待される精度である約7%に匹敵する。

結論

本研究の結果は、現在および将来の衝突型加速器実験において、ヒッグス粒子の2光子崩壊幅のずれを観測または非観測を確実に解釈するためには、新たに計算された2ループ補正を含めることが不可欠であることを示している。

意義

本研究は、IDMの検証、ひいては暗黒物質の性質の解明に向けて、重要な知見を提供するものである。特に、HL-LHCや将来のレプトンコライダー実験におけるヒッグス粒子の精密測定は、本研究で得られた2ループ補正の効果を検証する上で極めて重要となる。

制限と今後の研究

本研究では、計算の簡略化のために、いくつかの近似を用いている。例えば、軽いスカラー粒子の質量を無視したり、電弱ゲージ結合に関する摂動展開を用いたりしている。これらの近似の影響を評価するためには、より高次の計算を行う必要がある。また、本研究では、DMの現象論に焦点を当てた2つのシナリオのみを検討している。IDMのより広いパラメータ空間を探索し、他の実験的制限との関連性を調べることも、今後の課題として挙げられる。

統計

ヒッグス共鳴シナリオでは、不可視崩壊h→HHの分岐比は約0.01%である。
ヒッグス共鳴シナリオでは、スピン非依存直接検出断面積はσSI = 9.4 · 10−49 cm2である。
ヒッグス共鳴シナリオでは、ΩDMh2の値は約0.12である。
重いヒッグスシナリオでは、スピン非依存直接検出断面積はσSI = 3.9 · 10−49 cm2である。

引用

"In both cases, we find that the inclusion of two-loop corrections qualitatively modifies the behavior of the decay width, compared with the one-loop (i.e. leading) order, and that they increase the deviation from the Standard Model."
"Furthermore, we demonstrate that the inclusion of the newly-computed two-loop corrections is essential to reliably interpret the observation or non-observation of a deviation in the Higgs di-photon decay width at current and future colliders."

抽出されたキーインサイト

Leading two-loop corrections to the Higgs di-photon decay in the Inert Doublet Model

by Masashi Aiko... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2307.14976.pdf

深掘り質問

本研究で得られた結果は、他の暗黒物質候補、例えば超対称性粒子などにも適用できるのか？

この研究で用いられたヒッグス低エネルギー定理(LET)は、ヒッグス粒子と相互作用する新しい粒子に対して、模型に依存しない形で適用できます。つまり、超対称性粒子など、他の暗黒物質候補についても、ヒッグス粒子の2光子崩壊幅への寄与を計算する際に、同様の手法を用いることが可能です。
ただし、具体的な計算結果は、模型の詳細、例えば粒子の種類、相互作用の強さ、質量などに依存します。超対称性理論の場合、超対称性粒子の種類や相互作用、質量スペクトルによって、ヒッグス粒子の崩壊幅への寄与は大きく変化します。
さらに、暗黒物質の検出実験や宇宙論的観測から得られる制限も、模型ごとに異なります。そのため、LETを用いることはできますが、他の暗黒物質候補に対して、この研究と全く同じ結果が得られるわけではありません。それぞれの模型について、詳細な解析が必要となります。

IDMのパラメータを調整することで、2ループ補正の効果を小さくすることは可能なのか？もし可能であれば、その場合、どのような実験的兆候が期待されるのか？

はい、IDMのパラメータを調整することで、2ループ補正の効果を小さくすることは可能です。本研究では、重いヒッグスシナリオにおいて、BSMスカラー粒子の質量を大きくすると、2ループ補正の効果が小さくなることが示されています。
具体的には、重いBSMスカラー粒子の寄与は、デカップリングにより抑制されます。つまり、これらの粒子の質量が大きくなるほど、低エネルギーの物理現象への影響は小さくなります。
2ループ補正の効果が小さい場合、ヒッグス粒子の2光子崩壊幅は、標準模型の予言値に近づくことが期待されます。ただし、標準模型からのずれは小さくても、高精度測定を行うことで、その存在を検出できる可能性があります。
例えば、ILCやFCC-eeのような将来の電子・陽電子衝突型加速器では、ヒッグス結合の測定精度が大幅に向上すると期待されています。このような高精度測定によって、2ループ補正の効果が小さい場合でも、IDMのような新しい物理の効果を検出できる可能性があります。

本研究で示されたような、素粒子物理学における精密計算は、宇宙の進化や構造形成といった、より大きなスケールの物理現象の理解にどのように貢献するのか？

素粒子物理学における精密計算は、宇宙の進化や構造形成といった、より大きなスケールの物理現象を理解する上で、重要な役割を果たします。
例えば、暗黒物質の正体は、現代物理学における最大の謎の一つですが、その性質や相互作用を解明するためには、素粒子レベルでの精密計算が不可欠です。本研究で扱われているIDMのような模型は、暗黒物質の候補となりうる粒子を含んでおり、その精密計算は、暗黒物質の検出実験や宇宙論的観測の結果と比較することで、暗黒物質の性質に制限を与えることができます。
また、宇宙初期に起こったインフレーションやバリオン数生成といった現象も、素粒子レベルでの物理法則に深く関係しています。これらの現象を説明するためには、素粒子標準模型を超えた新しい物理模型を構築し、その予言を精密計算によって検証する必要があります。
さらに、宇宙の大規模構造形成は、暗黒物質の分布や性質に大きく影響されます。暗黒物質の相互作用や質量スペクトルを精密に計算することで、宇宙の大規模構造の進化をより正確にシミュレーションすることが可能になります。
このように、素粒子物理学における精密計算は、宇宙の進化や構造形成といった、より大きなスケールの物理現象を理解するための重要な鍵となります。本研究で示されたような精密計算は、暗黒物質の謎に迫るだけでなく、宇宙全体の進化と構造形成の理解にも貢献する可能性を秘めています。