[論文レビュー] Concepts of Electroweak Symmetry Breaking and Higgs Physics

M. Gómez-Bock, M. C. Mondragon+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、標準模型およびその超対称的拡張における電弱対称性の spontaneouslyな破れとヒッグス粒子物理学について、包括的な理論的および現象論的概説を提供している。これには、強い相互作用や追加次元といった代替メカニズムも含む。ヒッグス機構、ヒッグス粒子質量に対する放射修正の制約、そしてテバトロン、LHC、$e^{+}e^{-}$ 直線衝突機における実験的展望について詳述しており、標準模型がプランクスケールまで成り立つならばヒッグス粒子質量は130–190 GeVに制約されることを結論づけている。

ABSTRACT

We present an introduction to the basic concepts of electroweak symmetry breaking and Higgs physics within the Standard Model and its supersymmetric extensions. A brief overview will also be given on alternative mechanisms of electroweak symmetry breaking. In addition to the theoretical basis, the present experimental status of Higgs physics and prospects at the Tevatron, the LHC and e+e- linear colliders are discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型における電弱対称性の破れおよびヒッグス機構の理論的基盤について、教育的入門を提供すること。
• 特にMSSMを含む標準模型の超対称的拡張について議論を拡張し、階層問題に与える影響を明らかにすること。
• 強い相互作用や追加次元といった代替メカニズムを検討すること。
• LEP、テバトロン、およびLHCおよび$e^{+}e^{-}$ 直線衝突機におけるヒッグス粒子探索の現在の実験的状況をレビューすること。
• 精密電弱データおよび真空安定性からのヒッグス粒子質量の制約を分析し、130–190 GeVの狭い範囲が特定されることを明らかにすること。

提案手法

• 電弱対称性をSU(2) × U(1)からU(1)_{EM}に破るため、複素スカラー二重項場が真空期待値 $v \simeq 246$ GeV をとることでヒッグス機構を用いる。
• ヒッグス機構を適用して、スカラー場の対称性の spontaneouslyな破れによりゲージボソンおよびフェルミオンに質量を生成し、物理的ヒッグス粒子が1つ残ることを示す。
• ヒッグス粒子質量に対する放射修正を分析し、ユニタリティと真空安定性からそれぞれ上界と下界を導出する。
• フェルミオンとボソンのループによるキャンセレーションによって、ヒッグス粒子質量の二次発散をキャンセルする超対称性の役割を検討する。
• 技術色（強い相互作用）や、擬グロスボソンをもつ複合ヒッグス模型、およびヒッグス粒子が高次元ゲージ場から生じる追加次元モデルといった代替モデルを検討する。
• ゴールドストーンの定理を用いて、ランクNの局所対称性がランクMの部分群に spontaneously に破壊されるとき、N−M個の質量ゼロのゴールドストーン粒子が出現することを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型における電弱対称性の破れの理論的メカニズムは何か？ そして、ゲージボソンおよびフェルミオンに質量をどのように生成するか？
• RQ2 放射修正および真空安定性は、標準模型におけるヒッグス粒子質量にどのような制約を与えるか？
• RQ3 標準模型を大統一理論や超対称的拡張に埋め込む場合、電弱対称性の破れのスケールにどのような影響を与えるか？
• RQ4 ヒッグス粒子が基本的でない代替メカニズム（強い相互作用や追加次元）は、どのように電弱対称性の破れを実現するか？
• RQ5 テバトロン、LHC、および将来の$e^{+}e^{-}$ 直線衝突機におけるヒッグス粒子の発見および特性の同定の実験的展望は何か？

主な発見

• 標準模型がプランクスケールまで成り立つならば、真空安定性およびユニタリティの制約に基づき、ヒッグス粒子質量は130–190 GeVの狭い範囲に制約される。
• LEP、SLC、およびテバトロンからの高精度電弱データは、95%信頼区間の上限が約144 GeVである軽いヒッグス粒子を支持している。
• LEP2における直接探索により、ヒッグス粒子質量の下限が $M_H \gtrsim 114$ GeV に設定された。
• LHCは、標準模型の通常のヒッグス粒子質量範囲を網羅的に探査でき、発見および初期の性質測定が可能である。
• ヒッグス機構の高分解能研究（カップリングや量子数など）には、$e^{+}e^{-}$ 直線衝突機の精度が必要である。
• MSSMにおいて、超対称性はヒッグス粒子質量の二次発散を安定化させ、ヒッグス粒子質量が1 TeVに近い場合、新しい物理のスケールをTeVスケールに押し上げる。