[論文レビュー] A Historical Profile of the Higgs Boson

John Ellis, Mary K. Gaillard+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用数 13

ひとこと要約

この歴史的レビューは、1964年の提唱からLHCにおける発見の可能性に至るまで、ヒッグスボソンの理論的・実験的進化をたどる。電弱理論における対称性の自発的破れとヒッグス機構が、標準模型における主要な問題を解決した経緯を詳細に記述し、LEPおよびテバトロンのデータからの制約を分析。その結果、115–127 GeVまたは600 GeV以上のヒッグスボソンは、標準模型を超える新しい物理が必要であると結論づける。特に、超対称性がその有力な候補である。

ABSTRACT

The Higgs boson was postulated in 1964, and phenomenological studies of its possible production and decays started in the early 1970s, followed by studies of its possible production in e+ e-, pbar p and pp collisions, in particular. Until recently, the most sensitive searches for the Higgs boson were at LEP between 1989 and 2000, which have been complemented by searches at the Fermilab Tevatron. The LHC has recently entered the hunt, excluding a Higgs boson over a large range of masses and revealing a tantalizing hint in the range 119 to 125 GeV, and there are good prospects that the existence or otherwise of the Higgs boson will soon be established. One of the most attractive possibilities is that the Higgs boson is accompanied by supersymmetry, though composite options have yet to be excluded. This article reviews some of the key historical developments in Higgs physics over the past half-century.

研究の動機と目的

• 1964年の提唱から高エネルギー衝突実験におけるヒッグスボソンの実験的探査に至るまでの理論的発展を記録すること。
• 精密電弱データおよびLEPとテバトロンでの実験的探査から得られるヒッグスボソン質量に関する制約を分析すること。
• 115–127 GeVの範囲または600 GeV以上のヒッグスボソンが、標準模型の整合性と新しい物理の必要性に与える影響を評価すること。
• 超対称性や他の理論的枠組みが、電弱真空の安定化とヒッグス自己結合の制御に果たす役割を評価すること。
• ヒッグスボソンの素粒子的性質と、新しい物理への入り口としての可能性を包括的に概説すること。

提案手法

• コンデンサットド・マター物理学から素粒子物理学への対称性の自発的破れの歴史的発展をたどる。特にギンツブルグ＝ランダウ理論およびBCS理論を経由して。
• 複素スカラー場φを用いた「メキシコ帽」ポテンシャルモデルを通じてヒッグス機構を分析。ここで真空期待値⟨|φ|⟩ ≠ 0が対称性の自発的破れを引き起こす。
• ゴールドストーンの定理を適用し、グローバル対称性の破れがナンブ＝ゴールドストーン粒子を生じるが、ゲージ対称性の破れは質量を持つベクトルボソンと物理的ヒッグスボソンを生じることを示す。
• 摂動的正則化群法を用いてヒッグス自己結合λのエネルギースケール依存性を解析し、プランクスケールまでのが安定性を検証する。
• 精密電弱データとLHCの結果からの制約を用いて、標準模型が摂動的であり、真空が安定するスケールΛの境界を評価する。
• LHCのデータが広い質量範囲におけるヒッグスボソンの存在を除外したが、119–125 GeV付近にわずかな兆候が観測された。また、軽いヒッグスボソンと重いヒッグスボソンの両方のシナリオにおいて、新しい物理の導入が不可避であると結論づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性の自発的破れの概念は、超伝導から標準模型におけるヒッグス機構へとどのように発展したか？
• RQ2 LEPおよびテバトロンからの実験的制約は、ヒッグスボソンの質量範囲をどのように制限しているか？
• RQ3 600 GeVを超えるヒッグスボソンが標準模型と整合しないのはなぜか？
• RQ4 115–127 GeVの範囲にヒッグスボソンが存在する場合、電弱真空の安定性と新しい物理の必要性に与える意味は何か？
• RQ5 超対称性や他の新しい物理のシナリオは、ヒッグスボソンに関連する階層問題と真空安定性問題をどのように解決するか？

主な発見

• ヒッグスボソンは1964年に、ゲージボソンに質量を生成するための対称性の自発的破れのメカニズムとして初めて提唱された。これにより電弱理論の問題が解決された。
• LEPおよびテバトロンでの実験的探査により、広い質量範囲におけるヒッグスボソンの存在が除外された。その後、LHCが530 GeVまでの質量を除外し、119–125 GeV付近にわずかな信号の兆候を観測した。
• 600 GeVを超えるヒッグスボソンは、精密電弱データとの整合性を保つために新しい物理が必要であり、高エネルギー域でのヒッグス自己結合の発散を防ぐためにも不可欠である。
• 115–127 GeVの範囲にヒッグスボソンが存在すると、ヒッグス自己結合の負のエネルギースケール依存性により真空不安定性が引き起こされ、電弱真空を安定化させるために新しい物理が必要となる。
• 115–127 GeVの範囲にヒッグスボソンが発見されたとしても、精密電弱データと整合的ではあるが、真空を安定化させるために超対称性などの新しい物理が必要となる。
• 本論文は、ヒッグスボソンの発見（無論、軽いか重いかにかかわらず）が素粒子物理学の転換点となり、「AH（アノ・ヒッグシ）」の時代をもたらすと結論づける。新しい物理はおそらくTeVスケールに現れるだろう。