[論文レビュー] How to Find a Hidden World at the Large Hadron Collider

James D. Wells|ArXiv.org|Mar 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、標準模型に直接結合しない新しい粒子および対称性である隠れたセクターが、標準模型のヒッグス bosonおよびハイパークーラントゲージボソンを介した間接的結合によって大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で探査可能であると提唱している。隠れたアーベルヒッグス模型（HAHM）を用いて、隠れたU(1)_Xセクターに由来する軽いZ'ボソンがヒッグス混合を経て生成され、4フェルミオンへと崩壊する可能性を示し、低積算でも高い分岐比を示すクリアな、初期段階でアクセス可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

I discuss how the Large Hadron Collider era should broaden our view of particle physics research, and apply this thinking to the case of Hidden Worlds. I focus on one of the simplest representative cases of a Hidden World, and detail the rich implications it has for LHC physics, including universal suppression of Higgs boson production, trans-TeV heavy Higgs boson signatures, heavy-to-light Higgs boson decays, weakly coupled exotic gauge bosons, and Higgs boson decays to four fermions via light exotic gauge bosons. Some signatures may be accessible in the very early stages of collider operation, whereas others motivate a later high-lumonosity upgrade.

研究の動機と目的

• ヒエラルキー問題のような特定の問題の解決にとどまらず、新物理に対する普遍的アプローチを提唱し、素粒子物理学の研究範囲を拡大すること。
• 標準模型のヒッグスおよびハイパークーラントゲージ場を介して結合する最小限の隠れたセクター模型、すなわち隠れたアーベルヒッグス模型（HAHM）の実験的現象論的性質を調査すること。
• 特に軽量の異常なゲージボソンとヒッグスボソンの4フェルミオンへの崩壊を含む、隠れたセクターのLHCで検出可能なシグネチャを特定すること。
• 特定の隠れたセクターのシグネチャ、たとえばh → Z'Z' → 4fが、完全な積算に達する前でさえも数fb⁻¹のデータ量で発見可能であることを示すこと。
• LHCが理論的創造性の主なフィルターであるべきであり、特定の問題の解決を目的としないが、検出可能で実験的検証可能なシグネチャを生み出すモデルの構築を優先すべきであると主張すること。

提案手法

• U(1)_Xゲージ群と、凝縮によって対称性を破る複素ヒッグス場Φ_Hを有する最小限の隠れたセクター模型を構築する。
• ヒッグス場の混合項|H_SM|²|Φ_H|²を介して、標準模型ヒッグスと隠れたヒッグスの間の混合を導入する。
• 得られた2×2混合行列を解析し、物理的ヒッグス状態とそれらのZ'ボソンへの結合定数を計算する。
• h → Z'Z'およびZ' → f f̄の分岐比を評価し、η ∼ 10⁻⁴のとき、4フェルミオン最終状態への大きな分岐比が得られることを示す。
• 運動量再構築とインバリアント質量ピークを用いて、Z' → 4fのシグネチャが初期発見に適した「ゴールドプレート」チャネルであることを特定する。
• 超対称性および複合ヒッグス模型がHAHMフレームワークに与える影響を検討し、拡張後も核心的な現象論的性質が維持されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い結合を持つ異常なゲージボソンを有する隠れたセクターは、ヒッグスボソンの崩壊を通じてLHCで発見可能か？
• RQ2 標準模型ヒッグスおよびハイパークーラントゲージ場に結合する隠れたU(1)_Xゲージセクターの現象論的シグネチャは何か？
• RQ3 LHC運用の初期段階で、生成断面積が抑制されている場合でも、軽量Z'ボソンのシグネチャはどの程度早く検出可能か？
• RQ4 ヒッグス混合およびZ'崩壊分岐比は、混合パラメータηおよび混合角c_hにどの程度依存するか？
• RQ5 超対称性や複合ヒッグス模型のような新しい物理の存在は、隠れたセクターのシグネチャの検出可能性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• η ∼ 10⁻⁴のとき、h → Z'Z' → 4fの分岐比は、数fb⁻¹のデータ量でアクセス可能になるほど大きくなる。
• Z' → 4fの崩壊チャネルは、高純度の最終状態を有するためクリアで、完全な積算に達する前でさえも初期発見が可能である。
• HAHMにおいてヒッグスボソンの生成断面積は混合のため普遍的に抑制されるが、軽量Z'質量ではh → Z'Z'の崩壊チャネルは観測可能であり、場合によっては支配的である可能性がある。
• Z'の4レプトンへの分岐比は十分に高く、LHCにおいて運動量再構築とインバリアント質量ピークの特定が可能である。
• 超対称性の下でもモデルは成立し、SH_uH_dスーパーポテンシャル項が同様の|S|²|H_i|²混合項を生成するため、核心的な現象論的性質が保たれる。
• LHCは理論的アイデアの普遍的フィルターとして機能可能であり、特定の問題の解決を目的としないが、検出可能で実験的検証可能なシグネチャを生み出す理論的アイデアを優先すべきである。