[論文レビュー] 125 GeV Higgs Boson From Gauge-Higgs Unification: A Snowmass white paper

Ilia Gogoladze, Nobuchika Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、コンpact化スケールが約10⁹ GeV付近である5次元ゲージ・ヒッグス統一模型を提案し、トップクォークのヨーグ・カップリングとSU(2)ゲージカップリングの統一を通じてヒッグスボソン質量を予測する。このモデルは、トップクォークおよびQCDカップリング測定の実験的不確実性の範囲内で観測された125 GeVのヒッグス質量を再現し、電弱対称性の自発的破れを自然に説明するメカニズムを提供するとともに、新しい物理の検証可能な予測を提示する。

ABSTRACT

In certain five dimensional gauge theories compactified on the orbifold $S^1/Z_2$ the Standard Model Higgs doublet is identified with the zero mode of the fifth component of the gauge field. This gauge-Higgs unification scenario is realized at high energies, and the Standard Model as an effective theory below the compactification scale satisfies the boundary condition that the Higgs quartic coupling vanishes at the compactification scale (gauge-Higgs condition). This is because at energies above the compactification scale, the five dimensional gauge invariance is restored and the Higgs potential vanishes as a consequence. We consider scenario where top quark Yukawa and weak gauge coupling unification can be realized and identify the compactification scale as one at which this two coupling couplings have the same value. Taking into account the experimental uncertainties in measurements of the top quark mass and the QCD coupling constant, the Higgs mass prediction of 119-126 GeV from the gauge-Higgs unification scenario is consistent with the experimentally measured value of 125-126 GeV. More precise measurements of the top quark mass and the QCD coupling constant are crucial to reduce the interval of the Higgs mass prediction and thereby test the feasibility of the gauge-Higgs unification scenario.

研究の動機と目的

• LHCで観測された125 GeVのヒッグスボソン質量が、5次元のSU(3)×U(1)'モデルにおけるゲージ・ヒッグス統一フレームワーク内で自然に説明可能かどうかを検討すること。
• トップクォークのヨーグカップリングとSU(2)ゲージカップリングの統一点としてのコンパクト化スケールを特定すること。
• トップクォークの極座標質量およびQCDカップリング定数の実験的測定値と、ゲージ・ヒッグス統一の整合性を検証すること。
• 現在の実験的不確実性の範囲で、ヒッグス質量の予測範囲を評価することにより、モデルの予測力の程度を評価すること。
• ゲージ・ヒッグス統一フレームワークの妥当性を検証するための、将来のトップクォーク質量およびα₃(m_Z)の高精度測定が、どのように重要であるかを特定すること。

提案手法

• 5次元のSU(3)ゲージ理論をS¹/Z₂オルビフォールド上でコンパクト化し、ヒッグスダブルットが5次元ゲージ場のゼロモードとして生じることを仮定する。
• ゲージ・ヒッグス条件を適用：コンパクト化スケールにおいて、5次元ゲージ不変性の回復に伴いヒッグス4次カップリングが消える。
• 標準模型の2ループの整合性関係方程式（RGE）を用い、Zボソンスケールからコンパクト化スケールまでカップリングを下方にスケーリングする。
• コンパクト化スケールμを、SU(2)ゲージカップリングとトップクォークヨーグカップリングの統一点として特定し、Mₜおよびα₃(m_Z)の入力値に基づくRGEのスケーリングから導出する。
• 統一スケールにおけるゲージ・ヒッグス条件を用い、ヒッグス4次カップリングを電弱スケールまで下方に進化させ、マッチング条件を介して物理的ヒッグス極座標質量を計算する。
• 実験的不確実性の範囲（Mₜ：172.24–174.12 GeV、α₃(m_Z)：0.1179–0.1193）で入力パラメータを変動させ、予測されるヒッグス質量の範囲をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5次元時空におけるゲージ・ヒッグス統一フレームワーク内で、観測された125 GeVのヒッグスボソン質量は自然に説明可能か？
• RQ2 5次元モデルにおいて、SU(2)ゲージカップリングとトップクォークヨーグカップリングが統一されるコンパクト化スケールは何か？
• RQ3 ヒッグス質量の予測値は、トップクォーク極座標質量およびQCDカップリング定数の実験的不確実性にどの程度敏感か？
• RQ4 ゲージ・ヒッグス統一のシナリオは、現在の実験的誤差の範囲内でLHCによる125 GeVのヒッグス質量測定と整合するか？
• RQ5 ゲージ・ヒッグス統一モデルの妥当性を検証するためには、どのような高精度測定が必要か？

主な発見

• SU(2)ゲージカップリングとトップクォークヨーグカップリングは、約10⁹ GeVのコンパクト化スケールで統一され、これが5次元理論のエネルギースケールとして特定される。
• 予測されるヒッグスボソン質量は、トップクォーク極座標質量およびα₃(m_Z)の入力値に応じて119 GeVから126 GeVの範囲にあり、観測された125–126 GeVの値と整合する。
• トップクォーク極座標質量がその不確実性範囲の上端にあり、かつα₃(m_Z)が下端にある場合、モデルの予測は測定されたヒッグス質量と最も整合する。
• ヒッグス質量の予測値は、Mₜおよびα₃(m_Z)の精度に非常に敏感であり、今後のこれらの測定値の向上がモデルの検証にとって不可欠である。
• ゲージ・ヒッグス統一のシナリオは、基本的なヒッグス場を導入することなく、カーリッツ・クラインモードからの量子補正によってヒッグスポテンシャルが生成される動的メカニズムを提供する。
• このモデルは、コンパクト化スケールでトップクォークと弱いゲージ相互作用が自然に統一され、トップクォークとWボソンの質量の間の階層の潜在的説明を提供する。