[論文レビュー] Excited Gauge and Higgs Bosons in the Unified Composite Model

Hidezumi Terazawa, Masaki Yasuè|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、最近ATLASが観測した約2 TeVの二ボソン共鳴状態が、弱いボソン（W*, Z*）やヒッグスボソン（H*）、グルーオン（glueballs）の励起状態に起因する可能性を提案している。これらは、統一された素クォーク模型において約1 TeVの複合質量スケールで予測される。この模型は、素クォークの凝縮によってヒッグスボソン質量が約125 GeVに説明され、質量関係式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w を予測し、W* と Z* の質量がほぼ degenerate であることを支持する。

ABSTRACT

In the unified subquark model of all fundamental particles and forces, the mass of the Higgs boson in the standard model of electroweak interactions ($m_H$) is predicted to be about $2\sqrt{6}m_W/3$ (where $m_W$ is the mass of the charged weak boson, $W$), which agrees well with the experimental values of about 125 GeV recently found by the ATLAS and CMS Collaborations at the LHC. It seems to indicate that the Higgs boson is a composite of the iso-doublet spinor subquark-antisubquark pairs well described by the unified subquark model with either one of subquark masses vanishing or being very small compared to the other. In the unified composite model, the masses of excited weak gauge bosons, $W^\ast$ and $Z^\ast$, and Higgs bosons, $H^\ast$, as well as excited quarks and leptons are all predicted to be of the order of the composite mass scales, say 1 TeV, and to satisfy the relation of $m_Wm_{W^\ast} = m_Zm_{Z^\ast}\cosθ_w$ (where $θ_w$ is the weak mixing angle). It strongly suggests that the excess of di-boson resonance events recently found by the ATLAS Collaboration at about 2 TeV may be explained by the productions and decays of the first excited states of either one of the weak and Higgs bosons, and the glueballs.

研究の動機と目的

• 統一素クォーク模型におけるアイソダブレットスピンルーブル・クォーク反クォーク対からなる複合ヒッグス状態によって、観測された約125 GeVのヒッグスボソン質量を説明すること。
• 複合エネルギー スケール Λ ≈ 1 TeV において、励起ゲージボソンおよびヒッグスボソン（W*, Z*, H*）の存在を予測し、観測された約2 TeVの二ボソン共鳴状態と整合させること。
• ゲージ不変性と複合性の条件から導かれる質量関係式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w を確立し、励起弱いボソンと弱い混合角を結びつけ、検証可能なシグネチャを提供すること。
• グルーオンやカラーボールが、LHCにおけるグルーオン融合による生成が予想されるため、二ボソン共鳴状態への寄与を検討すること。
• 特に2 TeV共鳴状態と750 GeVの二光子過剰現象を踏まえ、最近のLHCの異常を踏まえた、基本粒子の励起状態に関する理論的期待値を更新すること。

提案手法

• アイソダブレットスピンルーブル素クォーク（wakems）を用いたNambu-Jona-Lasinio（NJL）型の複合模型を用い、WおよびHの質量に関する和則を導出：m_W = [3(m_w1² + m_w2²)/2]^{1/2} および m_H = 2[(m_w1⁴ + m_w2⁴)/(m_w1² + m_w2²)]^{1/2}。
• m_w1 = 0 または m_w2 = 0 の条件を適用して、m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV を得る。これは観測されたヒッグス質量の約125 GeVとよく一致する。
• 複合模型を拡張し、三重性の原則に基づいて、同じ複合スケール Λ ≈ 1 TeV において励起状態（W*, Z*, H*, グルーオン）を予測する。
• ゲージ不変性と複合性の条件から、g* = √(3/2)g を満たす励起ゲージボソンを想定し、質量関係式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w を導出する。
• W* → Wγ、Z* → Zγ、H* → Hγ、WW、ZZ およびグルーオンの崩壊モードを分析し、LHCにおける共鳴状態の検出に不可欠な要素を特定する。
• LHCにおける励起グルーオン／カラーボールの生成はグルーオン融合が支配的であり、Λ ~ 1 TeV で多数生成可能であると想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された約125 GeVのヒッグスボソン質量は、統一素クォーク模型における素クォーク反クォーク対からなる複合ヒッグス状態によって説明可能か？
• RQ2 統一複合模型において、励起弱いボソン（W*, Z*）および励起ヒッグスボソン（H*）の予測される質量と崩壊モードは何か？
• RQ3 複合模型において、質量関係式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w が成立するか？また、これによりW*とZ*の質量がほぼ degenerate であることを説明できるか？
• RQ4 最近観測された約2 TeVの二ボソン共鳴状態は、ヒッグスまたは弱いボソンの第一励起状態の生成と崩壊によって説明可能か？
• RQ5 グルーオンやカラーボールが、Λ ~ 1 TeV におけるグルーオン融合によって生成されることが予想されるが、LHCにおける二ボソン共鳴状態生成においてそれらが果たす役割は何か？

主な発見

• 一つの素クォーク質量がゼロであると仮定すると、ヒッグスボソン質量は m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV と予測され、観測値の約125 GeVとよく一致する。
• 模型は、W* と Z* の質量が約1 TeVに近く、関係式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w を満たすと予測しており、これにより m_W*/m_Z* ≈ 1 が0.3%以内で成立する。
• 励起ヒッグスボソン H* は Hγ、WW、ZZ に崩壊すると予想され、約2 TeVで二ボソン共鳴状態として現れる可能性がある。
• 励起グルーオンまたはカラーボールは、LHCにおいてエネルギーが複合スケール Λ ≈ 1 TeV に達するとグルーオン融合によって多数生成される。
• ATLASが観測した2 TeVの二ボソン過剰は、ヒッグスまたは弱いボソンの第一励起状態および／または励起グルーオンに起因する可能性がある。
• ATLASとCMSが報告した最近の750 GeVの二光子過剰現象は、1 TeVスケールにおける二ボソン共鳴状態の構造的性質を示すさらなる証拠であると解釈される。