3-3-1有効場理論におけるトリリニアヒッグス結合の最大値

核心概念

3-3-1有効場理論（EFT）の枠組みにおいて、トリリニアヒッグス結合の最大許容値は、標準模型の予測よりも4倍以上大きく、LHCのHL-LHCアップグレードや将来の衝突型加速器実験で検証可能である可能性がある。

要約

論文情報

Cherchiglia, A., & Leite, L. J. F. (2024). Maximal value for trilinear Higgs coupling in a 3-3-1 EFT. arXiv preprint arXiv:2411.00094v1.

研究目的

本研究は、3-3-1有効場理論（EFT）の枠組みにおいて、トリリニアヒッグス結合（λhhh）の最大許容値を調べることを目的とする。

方法

• 3-3-1モデルをツリーレベルで整合させ、2HDMの有効場理論を構築する。
• 電弱精密観測量、衝突型加速器実験、フレーバー物理、理論的考察から得られる制限を課す。
• 許容されるパラメータ空間を数値的に評価し、λhhhの最大値を決定する。

主な結果

• 3-3-1 EFTにおけるλhhhの最大値は、標準模型（SM）の予測よりも4倍以上大きい。
• このような大きな値は、アラインメントからのずれが小さくても、アラインメントがずれている場合にのみ達成可能である。

結論

本研究の結果は、LHCのHL-LHCアップグレードや将来の衝突型加速器実験において、トリリニアヒッグス結合の測定が、3-3-1モデルなどのBSM物理を探求するための有望な道筋であることを示唆している。

意義

本研究は、トリリニアヒッグス結合の精密測定が、標準模型を超えた物理の兆候を明らかにする可能性を浮き彫りにしている。3-3-1 EFTにおけるλhhhの増強された予測は、将来の衝突型加速器実験における興味深いターゲットとなる。

制限と今後の研究

• 本研究では、1ループレベルまでの量子補正を考慮している。2ループ補正を含めると、λhhhの予測値に影響を与える可能性がある。
• アラインメントからのずれの影響を完全に解明するには、2ループレベルでのλhhhの解析計算が必要である。

統計

LHCのHL-LHCフェーズでは、κλ（λhhh / (λhhh)SM）は68%の信頼度で[0.5,1.6]に制限されると予想される。
Z'質量には、現在約4 TeVの下限がある。

引用

"In this work, we obtain a consistent EFT for a class of models based on the gauge group SU(3)c × SU(3)L × U(1)Y."
"By imposing bounds from electroweak precision observables, collider, flavor, as well as theoretical considerations we obtain that the maximum value of the trilinear Higgs coupling is more than four times larger than the SM prediction, potentially testable at the LHC Hi-Lumi upgrade and other future colliders."
"Moreover, we find that such large values are only attainable if one considers an out-of-alignment scenario, even if the deviation is very small, which is not typically considered in the literature."

抽出されたキーインサイト

Maximal value for trilinear Higgs coupling in a 3-3-1 EFT

by Adriano Cher... 場所 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00094.pdf

深掘り質問

3-3-1 EFTにおけるトリリニアヒッグス結合の大きな値は、電弱バリオン生成などの他の現象にどのような影響を与えるか？

3-3-1 EFTにおけるトリリニアヒッグス結合（λhhh）の大きな値は、電弱バリオン生成などの現象に、以下に示すような複数の重要な影響を与える可能性があります。

電弱相転移の強さ: λhhhの値は、電弱相転移の強さに直接影響を与えます。λhhhの値が大きいほど、相転移はより強くなります。電弱バリオン生成には、第一種相転移のような強い相転移が必要であると考えられています。そのため、λhhhの大きな値は、電弱バリオン生成に必要な条件を満たす可能性を高めます。

スファレロン過程のレート: 電弱バリオン生成では、バリオン数とレプトン数を変化させるスファレロン過程が重要な役割を果たします。λhhhの値は、スファレロン過程のレートにも影響を与えます。λhhhが大きいほど、スファレロン過程は抑制されます。ただし、3-3-1モデルでは、スファレロン過程は高温においても抑制されないため、バリオン数生成が可能になる可能性があります。

新しいCP対称性の破れのソース: 3-3-1モデルは、SMには存在しない新しい粒子と相互作用を含んでいます。これらの新しい要素は、CP対称性を破る新しいソースとなり、バリオン数生成に必要な追加のCP対称性の破れを提供する可能性があります。λhhhの大きな値は、これらの新しいCP対称性の破れの効果を増幅し、バリオン数生成を促進する可能性があります。

新しい粒子の影響: 3-3-1モデルは、電弱スケールで質量を持つ新しいヒッグス粒子やゲージ粒子を含んでいます。これらの粒子は、電弱相転移やバリオン数生成過程に寄与する可能性があります。λhhhの値は、これらの新しい粒子の相互作用や崩壊に影響を与える可能性があり、バリオン数生成に間接的な影響を与える可能性があります。

要約すると、3-3-1 EFTにおけるλhhhの大きな値は、電弱バリオン生成に必要となるいくつかの条件に好ましい影響を与える可能性があります。しかし、バリオン数生成は複雑な現象であり、λhhhの値だけでなく、他のパラメータや新しい物理の影響も考慮する必要があります。

3-3-1モデルの特定のバリオン生成機構は、トリリニアヒッグス結合の値にさらなる制限を加えるか？

はい、3-3-1モデルの特定のバリオン生成機構は、トリリニアヒッグス結合の値にさらなる制限を加える可能性があります。
例えば、3-3-1モデルでは、電弱スケールで質量を持つ新しい重いクォークが存在します。これらの重いクォークは、電弱相転移中にCP対称性を破る位相を生成する可能性があり、バリオン数生成に寄与する可能性があります。
このバリオン生成機構が効率的に働くためには、新しい重いクォークとヒッグス粒子との結合が十分に強い必要があります。トリリニアヒッグス結合の値は、この結合の強さに影響を与えるため、バリオン生成機構の効率に影響を与える可能性があります。
具体的には、トリリニアヒッグス結合の値が大きすぎると、重いクォークとヒッグス粒子との結合が強すぎて、電弱相転移が強くなりすぎる可能性があります。その結果、バリオン数生成に必要な非平衡状態が実現できなくなる可能性があります。
逆に、トリリニアヒッグス結合の値が小さすぎると、重いクォークとヒッグス粒子との結合が弱すぎて、バリオン数生成に必要なCP対称性の破れの効果が十分に得られない可能性があります。
したがって、3-3-1モデルの特定のバリオン生成機構が効率的に働くためには、トリリニアヒッグス結合の値は、ある特定の範囲内に収まっている必要があります。この範囲は、モデルのパラメータやバリオン生成機構の詳細に依存します。

トリリニアヒッグス結合の測定値が、標準模型の予測と大きく異なることが判明した場合、宇宙の物質と反物質の非対称性を説明するために、どのような新しい理論的枠組みを探求できるか？

トリリニアヒッグス結合の測定値が標準模型の予測と大きく異なる場合、宇宙の物質と反物質の非対称性を説明するために、以下のような新しい理論的枠組みを探求する必要があるでしょう。
1. 拡張ヒッグスセクター:

2HDM (Two Higgs Doublet Model): 標準模型にヒッグス二重項をもう一つ加えることで、トリリニアヒッグス結合に影響を与える新しいパラメータを導入します。
SUSY (超対称性理論): 標準模型の各粒子に超対称性パートナーを導入する理論で、ヒッグスセクターも拡張されます。
複合ヒッグス模型: ヒッグス粒子がさらに基本的な粒子の束縛状態であるとする理論で、トリリニアヒッグス結合の値が標準模型の予測からずれる可能性があります。
2. 新しいゲージ相互作用:

大統一理論 (GUT): 標準模型のゲージ群をより大きなゲージ群に統合する理論で、新しいゲージボソンとそれに伴う新しいCP対称性の破れの可能性を提供します。
余剰次元模型: 我々の住む4次元時空以外の余剰次元を仮定する理論で、新しいゲージ相互作用やヒッグス場の構造が導入され、トリリニアヒッグス結合に影響を与える可能性があります。
3. レプトジェネシス:

シーソー機構: 右巻きニュートリノを導入し、その質量項が非常に重い値を持つことで、軽い左巻きニュートリノの質量を説明する機構。この機構は、レプトン数の破れを引き起こし、それがスファレロン過程を通じてバリオン数の非対称性に転換される可能性があります。
4. その他:

非平衡場の理論: 初期宇宙における場の進化を非平衡状態で記述する理論で、標準模型を超えた新しい粒子や相互作用を導入することで、バリオン数生成を説明する可能性があります。
ダークマターとの相互作用: ダークマターがバリオン数生成に何らかの役割を果たす可能性があり、トリリニアヒッグス結合の測定値は、ダークマターセクターに関する情報を与える可能性があります。
これらの新しい理論的枠組みを探求することで、トリリニアヒッグス結合の測定値と宇宙の物質と反物質の非対称性を結びつけ、宇宙初期に何が起こったのかを解明する手がかりが得られる可能性があります。