摂動ユニタリティ制限の精密評価を用いたボトムアップ的ヒッグスセクター構造決定

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K14474
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 菊地 真吏子 日本大学, 工学部, 助教 (20824642)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: ヒッグスポテンシャル / 付加的ヒッグスボソン / 量子効果 / 理論的制限

研究実績の概要

本研究では、アイソスピン2重項スカラー場2つで構成される拡張ヒッグスモデル「Two Higgs doublet model (THDM)」に着目し、付加的なCP-evenヒッグスボソンの各崩壊過程の電弱量子補正とQCD補正の効果を含めた高精度理論計算について研究した。発見された質量125GeVのヒッグス粒子の結合定数は標準理論の予言とLHC実験での測定精度の範囲内で無矛盾であり、近アライメントシナリオ（ヒッグス粒子の結合が標準理論とほぼ等しいシナリオ）は研究する高いモチベーションがある。この近アライメントシナリオでは、重いヒッグス粒子達の崩壊モードは125GeVヒッグス粒子への崩壊（H→hh崩壊）が支配的になり、モデルパラメーター（付加的ヒッグスボソン質量等）の広領域を検証できる可能性がある。更にH→hhモードの崩壊率のリーディングオーダーの寄与はヒッグスポテンシャルの三点結合で決まっており、ヒッグスポテンシャルの構造と密接に関係しており、H→hhモードは理論的にも重要な情報を含んでいる。本研究では、特にH→hhモードの電弱量子補正とQCD量子補正の効果を含めた崩壊分岐比について、新物理パラメーターとの関係や、量子効果の大きさを詳細に研究した。摂動ユニタリティと真空安定性や加速器実験の制限を満たした領域で、量子効果により崩壊分岐比が数十パーセント程度増大するパラメーター領域が存在することがわかった。また、崩壊分岐比と電弱バリオン数生成シナリオに関連するhhh結合の相関関係を調べ、H→hhモードの探索が電弱バリオン数生成シナリオの多角的検証方法になり得る可能性を示した。本研究は、2022年3月に論文雑誌「Nuclear Physics B （Elsevier）」に投稿し、現在査読中である。（プレプリント番号「arXiv:2203.08337（hep-ph）」

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和３年度は、ヒッグス粒子の崩壊分岐比精密計算プログラムの発展に繋がる「拡張ヒッグスモデルに含まれる重いヒッグス粒子の量子効果を含めた崩壊分岐比の精密計算」及び、数値計算プログラムの整備・拡張を行った。その中で様々なTwo Higgs doublet modelのパラメーターに対するリーディングオーダーの摂動ユニタリティと真空安定性の制限（理論的制限）についても慎重に研究し計算に取り入れ、おおむね計画通りに進んでいる。

今後の研究の推進方策

本年度行った、付加的ヒッグス粒子の崩壊モードに対する量子補正の効果の研究をアイソスピン１重項スカラー場が追加された拡張ヒッグスモデル「Higgs singlet model」や異なる対称性を持つTwo Higgs doublet model等、他の新物理モデルに拡張する。付加的ヒッグスボソンの崩壊モードの数値的評価だけでなく、発見されたヒッグスボソン（h）の結合の強さや崩壊分岐比との相関関係、電弱バリオン数生成シナリオと関係が深いhhh結合との相関関係についても研究し、各モデルの相関関係の特徴を調べ、論文にまとめる。また、各モデルにおいて摂動ユニタリティと真空安定性の制限も研究し、付加的ヒッグス粒子の崩壊分岐比の数値計算のプログラムコードと併せて、既存のヒッグスボソンの崩壊分岐比計算プログラムに結合させ、プログラムコードのversion3（現在のversionがversion2）として公開する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染症感染拡大防止に伴う措置により、共同研究の研究打ち合わせのための出張を取止めたり、国際会議や学会がオンライン開催になったため、次年度使用額が発生した。
研究打ち合わせのための国内出張（大阪大学など）（100,000円×3回=300,000円）、研究発表のための国内学会・研究会への参加（100,000円×2回=200,000円）で、出張費におおよそ500,000円使用する。また、他研究機関から研究者を招待し、セミナー講演を依頼する予定で、そのための出張費で（50,000×4回=200,000円）物品購入は、ノートパソコン（400,000円）、論文等印刷のためのトナー代（100,000円）, 書籍等を計画している。

研究成果

• [学会発表] 拡張ヒッグス模型におけるHiggs to Higgs崩壊に対する 量子効果 II (2021)
  • 著者名/発表者名: 菊地真吏子
  • 学会等名: 2021年日本物理学会秋季大会