[論文レビュー] Direct Constraints, Flavor Physics, and Flavor Anomalies in Composite Higgs Models

Peter Stangl|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 294被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、標準模型の自然性問題に対する解決策として、合成ヒッグス模型（CHMs）を調査し、直接的な加速器実験の制約と、珍しいB中間子崩壊におけるフラバー異常を同時に説明できるかを分析している。最小限の基本的部分的合成模型（FPC）が、電弱および低エネルギーのフラバー制約を満たしつつ、$B\to K^{*}\mu^{\pm}\mu^{-}$異常と$R_{K^{(*)}}$のレプトンフラバー普遍性違反を同時に説明できることを示している。

ABSTRACT

Composite Higgs models (CHMs) offer an elegant solution to the naturalness problem of the Standard Model (SM). Their direct effects at particle colliders like the Large Hadron Collider (LHC) are thus of central interest. While no direct effects have been observed so far, there are recent indirect hints for new physics (NP) coming from measurements of rare B meson decays. This thesis studies direct collider constraints on CHMs as well as the question if these models can explain the hints for NP in rare B decays. The first part of this thesis gives a self-contained introduction to all main concepts of CHMs used in the remainder of the work. These concepts are then applied in several phenomenological analyses. In the context of global numerical analyses of two explicit CHMs, the direct constraints on vector, fermion and scalar resonances are studied in detail. The prospects of various decay channels for observing or excluding still viable parameter points of the considered models are discussed. Model independent analyses of the hints for NP in rare B decays are performed in the context of the $B o K^* μ^+ μ^-$ anomaly as well as the hints for violation of lepton flavor universality (LFU) found in measurements of the observables $R_K$ and $R_{K^*}$. A simple CHM is presented that can explain the anomalies in rare B decays by partially composite left-handed muons. The flavor physics of a much more ambitious model, which is based on a UV completion of effective CHMs called fundamental partial compositeness (FPC), is investigated in detail. Taking into account all relevant constraints from electroweak scale physics and low-energy flavor observables, it is shown that this model can explain the anomalies found in rare B decays.

研究の動機と目的

• LHCが検出するベクトル粒子、フェルミオン、スカラー共鳴状態に対する直接的な実験的制約を、合成ヒッグス模型（CHMs）の観点から評価すること。
• CHMsが、珍しい$B$中間子崩壊における新しい物理の兆候（特に$B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$異常と$R_{K^{(*))}}$のレプトンフラバー普遍性違反）を説明できるかどうかを調査すること。
• 電弱および低エネルギーのフラバー観測量と矛盾しない最小限の基本的部分的合成模型（FPC）を構築・分析すること。
• 高エネルギーおよび低エネルギー物理学からの制約を統合した、明示的なCHM実装のグローバル数値解析を実施すること。

提案手法

• LHCラン1およびラン2の実験データを用いて、ベクトル粒子、フェルミオン、スカラー共鳴状態を含む2つの明示的なCHMフレームワークのグローバル数値解析を実施する。
• $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$崩壊データおよび$R_{K^{(*)}}$測定値に対するモデルに依存しない解析を適用し、レプトンフラバー普遍性違反を調査する。
• 部分的に合成された左巻きミューオンを含む単純なCHMを導入し、珍しいB崩壊で観測された異常を説明する。
• 基本的部分的合成に基づくUV完全なFPCモデルの詳細なフラバー物理学解析を実施し、有効場理論のマッチングを含む。
• 電弱精度観測量、珍しいカイオンおよび$B$崩壊、$K\bar{K}$混合からの制約を課し、モデルの妥当性を検証する。
• 精度の高いフラバー物理学および素粒子現象論的解析のため、flavioおよびinspiretoolsソフトウェアフレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成ヒッグス模型は、$B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$崩壊のパターンや$R_{K^{(*)}}$のずれといった、珍しいB中間子崩壊で観測された異常を説明できるか？
• RQ2 直接的なLHC探索は、合成ヒッグス模型におけるベクトル粒子、フェルミオン、スカラー共鳴状態のパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ3 最小限の基本的部分的合成模型（FPC）は、フラバー異常を同時に説明しつつ、厳密な低エネルギーのフラバーおよび電弱精度制約を満たすことができるか？
• RQ4 左巻きミューオンの部分的合成パターンは、CHMsにおけるレプトンフラバー普遍性違反の実現にどのように影響するか？

主な発見

• 部分的に合成された左巻きミューオンを含む単純な合成ヒッグス模型は、$B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$異常と$R_{K^{(*)}}$のずれをうまく説明できる。
• 最小限の基本的部分的合成（FPC）モデルは、観測されたフラバー異常を説明しつつ、電弱精度測定および低エネルギーのフラバー観測量と整合性を保っている。
• グローバル数値解析により、現在のLHC探索で除外されていない、多数の妥当なパラメータ点が、考察されたCHMsに存在することが示された。特に$\rho^\pm \to W^\pm h$、$W^\pm Z$、および$tb$崩壊チャネルで顕著である。
• $\rho^\pm \to W^\pm Z$および$\rho^\pm \to W^\pm h$チャネルは、将来のLHCランで新しい共鳴状態の除外または発見の可能性が非常に高い。
• $K\bar{K}$混合、$K^0$-$\bar{K}^0$混合、および珍しい$B$崩壊からの制約は、特に大きな混合角を持つ場合にCHMsのパラメータ空間を強く制限する。
• $R_{K^{(*)}}$のモデルに依存しない解析により、標準模型の予測から顕著なずれが確認され、$R_{K^*}$チャネルでは局所的有意水準約3.1σの有意差が得られた。