[論文レビュー] A composite scalar hint from di-boson resonances?

Haiying Cai, Thomas Flacke+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、追加の $SU(6)/SO(6)$ 構造を有する $SU(4)/Sp(4)$ コセットに基づく複合ヒッグスモデルを提案し、Wess-Zumino-Wittenの異常項を通じて二ボソン最終状態に結合する擬似Nambu-Goldstoneボソン（pNGB）を生成する。このモデルは、ATLASの $WW$ および $ZZ$ チャネルにおける2 TeVの二ボソン過剰を10 fbの断面積で説明し、LHCランIの $Z\gamma$、$\gamma\gamma$、および二ジェット最終状態に関する制約と整合性を保っている。

ABSTRACT

We study the light scalar resonance sector of a composite Higgs model UV embedding based on the coset $SU(4)/Sp(4)$. Beyond the Higgs multiplet, the pseudo Nambu-Goldstone sector of this model contains Standard Model singlets which couple to the Standard Model gauge bosons through Wess-Zumino-Witten anomaly terms. They can thus be produced in gluon fusion and decay into either gluons or pairs of electroweak gauge bosons $WW$, $ZZ$, $Zγ$, or $γγ$. In this letter we show that one of the pseudo Nambu-Goldstone boson states has appropriate couplings in order to explain a di-boson excess in the $WW$ channel whilst not being excluded by LHC run I bounds on the di-jet, $Zγ$ and $γγ$ decay channels. A di-boson resonance production cross section of $\sim$ 10 fb at LHC run I is not a prediction of the model, but can be obtained if the confining gauge group is of high rank.

研究の動機と目的

• 複合ヒッグスモデルが $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 全体的対称性の破れ構造を持つ場合、2 TeVの二ボソン共鳴子過剰を説明できるpNGBを生成できるかを検討すること。
• そのようなpNGBがWess-Zumino-Wittenの異常項を通じて電弱ゲージボソンに結合可能であり、既存のLHC制約に違反しないかを特定すること。
• モデルの分支比と生成断面積が、2 TeVにおける $WW$ および $ZZ$ チャネルでの観測された $\sim$10 fbの断面積と一致するように調整可能かどうかを評価すること。
• 特に $Z\gamma$ および $\gamma\gamma$ 最終状態において、将来的なLHC探索においてモデルの検証可能性を評価すること。

提案手法

• 四つの基礎表現クォーク $Q$ と六つの反対称表現フェルミオン $\chi$ を持つ $Sp(2N_c)$ のコンfinementゲージ理論に基づくモデルで、全体的対称性は $SU(4)\times SU(6)\times U(1)$ となる。
• $SU(4)\times SU(6)\to Sp(4)\times SO(6)$ の自発的対称性の破れにより、複合ヒッグスおよび追加の標準模型スケールのpNGBが生成される。
• pNGB系には、グルーオンおよび電弱ゲージボソン（$WW$、$ZZ$、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$）にのみ異常項を通じて結合する中性の擬スカラー状態 $\sigma$ が含まれる。
• $\sigma$ の分支比は群論と異常構造によって完全に決定され、自由パラメータは $N_c$、$f_Q$、$f_\chi$ のみである。
• グルーオン融合による生成断面積は、異常項に起因する結合を通じて計算され、$N_c$、$f_Q$、$f_\chi$ に依存する。10 fbの断面積を得るには $N_c=10$ および $f_Q=f_\chi=500$ GeV が必要となる。
• モデルの物性的性質は、LHCランIの $Z\gamma$、$\gamma\gamma$、および二ジェット最終状態に関する制約と照合され、選択したパラメータで整合的であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複合ヒッグスモデルが $SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 対称性の破れ構造を持つ場合、$WW$ および $ZZ$ チャネルにおける2 TeVの二ボソン共鳴子過剰を説明できるpNGBを生成できるか？
• RQ2 pNGBが $WW$、$ZZ$、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$ 最終状態に異常項によって結合する場合、既存のLHCランIの制約と整合的か？
• RQ3 グルーオン融合によるpNGBの生成断面積は、2 TeVにおける観測された $\sim$10 fbのレートと整合的か？ その場合に必要なモデルパラメータは何か？
• RQ4 $Z\gamma$ および $\gamma\gamma$ の崩壊チャネルは、他の二ボソン共鳴子の説明と区別するためのクリアなプローブとして機能できるか？
• RQ5 コンfinementゲージ群 $Sp(2N_c)$ のランクおよび衰え定数 $f_Q$、$f_\chi$ は、共鳴子の生成断面積と分支比にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 異常項による結合を持つ擬似Nambu-Goldstoneボソン $\sigma$ は、$SU(4)\times SU(6)/(Sp(4)\times SO(6))$ 複合ヒッグスモデルにおいて自然に生成される。
• $\sigma$ の $WW$、$ZZ$、$Z\gamma$、$\gamma\gamma$ への分支比は、群論と異常項によって完全に決定され、$N_c$、$f_Q$、$f_\chi$ を除いて自由パラメータは存在しない。
• $N_c=10$ および $f_Q=f_\chi=500$ GeV の場合、モデルは2 TeVの共鳴子を生成し、グルーオン融合断面積が $\sim$10 fbとなる。これはATLASの過剰と一致する。
• モデルは、LHCランIの $Z\gamma$、$\gamma\gamma$、および二ジェット最終状態に関する制約と整合的である。予測された分支比は観測限界以下にある。
• $Z\gamma$ および $\gamma\gamma$ チャネルは、測定可能なレートを予測しており、ランIIおよび将来のLHCデータにおけるモデルの検証に最適な場面である。
• 共鳴子の質量はモデルによって固定されておらず、明示的な $U(1)$ 破れによって生成され、2 TeVの観測された過剰に一致するように調整可能である。