[論文レビュー] 125 GeV Higgs Boson and TeV Scale Colored Fermions in Gauge-Higgs Unification

Nobuhito Maru, Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールのコンパクト化スケールで125 GeVのヒッグスボソン質量を実現するため、5次元 $SU(3)\times U(1)'$ ゲージ・ヒッグス統一モデルを提案する。このモデルでは、10-および15-パlet表現の半周期的色を持つバルクフェルミオンを導入し、ゲージ・ヒッグス条件の下で1ループのRGEを用いてバルク質量を調整することで、正しいヒッグス質量を達成する。この結果、カルラッツ＝クライン（KK）モードによるヒッグス粒子へのグルーオン融合過程のループ寄与が破壊的干渉を示し、ヒッグス生成断面積が低下する。LHCのデータから、グルーオン融合生成の抑制率が5–10%である場合、最も軽いKKフェルミオン質量は2–3 TeVに制限される。

ABSTRACT

In the context of a simple gauge-Higgs unification scenario based on the gauge group SU(3) times U(1)' in a 5-dimensional flat spacetime, we investigate a possibility to realize the Higgs boson mass of 125 GeV with a compactification scale at the TeV. With the introduction of colored bulk fermions in a certain representation under the gauge group with a half-periodic boundary condition, we analyze the one-loop RGE of the Higgs quartic coupling with the gauge-Higgs condition and successfully obtain 125 GeV Higgs boson mass by adjusting a bulk mass for the fermions with a fixed compactification scale. The Kaluza-Klein modes of the colored fermions contribute to the Higgs-to-digluon effective coupling through the one-loop corrections. Since the contribution is destructive to the Standard Model one and reduces the Higgs boson production cross section, the recent LHC result gives a lower bound on the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion. We find the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion in the range of 2-3 TeV for 10%-5% reductions of the Higgs boson production cross section through the gluon fusion channel. Such Kaluza-Klein mode fermions can be discovered at the LHC run II with sqrt{s}=13-14 TeV, and LHC phenomenology for the Kaluza-Klein fermions is briefly discussed.

研究の動機と目的

• 超対称性を用いずにゲージ・ヒッグス統一（GHU）フレームワークで125 GeVのヒッグスボソン質量を実現すること。
• 色を持つカルラッツ＝クライン（KK）フェルミオンがグルーオン融合によるヒッグス生成に与える影響を調査すること。
• LHCのヒッグス信号強度データを用いて、最も軽いKKモードフェルミオンの質量を制約すること。
• LHC Run IIの文脈において、複数の質量および電荷を持つ特異なKKフェルミオンの素粒子物理学的性質を調査すること。
• ヒッグス質量とLHCの制約を両方満たす $SU(3)\times U(1)'$ GHUモデルの妥当なパラメータ領域を特定すること。

提案手法

• 平坦な時空に5次元 $SU(3)\times U(1)'$ ゲージ理論を $S^1/Z_2$ オルビフォールドによるコンパクト化を用いて定式化する。
• パリティを破壊し、質量固有状態を生成するために、$SU(3)$ の10-および15-パレット表現のバルクフェルミオンに半周期的境界条件を導入する。
• ゲージ・ヒッグス条件の下でヒッグス四次結合定数の1ループの相互作用を用いて、ヒッグス質量を計算する。
• KKモードの1ループ寄与がヒッグス粒子からグルーオン2本への有効結合定数およびヒッグス粒子から光子2本への有効結合定数に与える影響を計算する。
• 量子補正の有限性と階層問題の解決策との整合性を保つために、ゲージ・ヒッグス条件を適用する。
• グルーオン融合過程における修正されたヒッグス生成断面積をLHCデータと比較し、最も軽いKKフェルミオン質量の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールのコンパクト化スケールを持つ5次元 $SU(3)\times U(1)'$ GHUモデルにおいて、色を持つバルクフェルミオンを用いて125 GeVのヒッグスボソン質量を達成できるか？
• RQ2 色を持つバルクフェルミオンのカルラッツ＝クライン（KK）モードは、ヒッグス粒子からグルーオン2本への結合にどのように影響を与え、ヒッグス生成断面積にどのような影響を及けるか？
• RQ3 グルーオン融合によるヒッグス生成断面積が5–10%低下する場合、最も軽いKKフェルミオン質量の下限はどのようになるか？
• RQ4 KKフェルミオンの電荷および質量混合は、その崩壊モードとLHCでの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 10-および15-パレットモデルにおけるKKフェルミオンの素粒子的シグネチャ、特にカスケード崩壊および最終状態の観点から、どのような特徴を示すか？

主な発見

• 固定されたTeVスケールのコンパクト化スケールにおいて、10-および15-パレットの色を持つフェルミオンのバルク質量を調整することで、$SU(3)\times U(1)'$ GHUモデルで125 GeVのヒッグスボソン質量が成功裏に実現された。
• 色を持つフェルミオンのKKモードは、ヒッグス粒子からグルーオン2本への結合に破壊的干渉を及ぼし、グルーオン融合チャネルにおけるヒッグス生成断面積を低下させる。
• ヒッグス生成断面積が5–10%低下する場合、最も軽いKKモードフェルミオンの質量は2–3 TeVの範囲に制限される。
• 最も軽いKKフェルミオンの $U(1)'$ 電荷は $-1/3$ または $2/3$ であり、ブレーンに由来する質量混合により標準模型のクォークに崩壊可能である。
• 重いKKフェルミオンから軽いフェルミオンへと続くカスケード崩壊チェーンが予測され、最終的に最も軽い状態が標準模型のクォーク、W/Zボソン、またはヒッグス粒子に崩壊する。
• 10-および15-パレットモデルにおけるKKフェルミオンは、$\sqrt{s} = 13-14$ TeVのLHC Run IIで発見可能であり、4世代クォークに類似したプロセスを示すが、より洗練された質量および電荷構造を持つ。