[論文レビュー] Low Scale Composite Higgs Model and 1.8 $\sim$ 2 TeV Diboson Excess

Ligong Bian, Da Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、ATLASおよびCMSが観測した1.8–2 TeVの二ボソン過剰現象を説明するため、$SU(2)_L \times SU(2)_R$ 対称性を持つ低スケールの複合ヒッグス模型を提案する。この模型では、ベクトルレゾネンス $\rho$ と軸性レゾネンス $a$ を導入し、$\rho$ ボソンはDrell-Yan過程で生成され、$WW$、$WZ$、$ZZ$ に大きな分支比で崩壊する。一方、$a$ ボソンは $\rho$ による $S$ パラメータと電弱精度テスト（EWPT）の寄与をキャンセルし、任意のフェルミオン結合を許容する。モデルは $\xi \sim (0.05, 0.2)$、$g_\rho \sim (1.5, 2.5)$ の範囲で、特定の複合フェルミオン成分をとることで、二ボソン過剰現象をよく適合する。

ABSTRACT

We consider a simple solution to explain the recent diboson excess observed by ATALS and CMS Collaborations in models with custodial symmetry $SU(2)_L imes SU(2)_R ightarrow SU(2)_c$. The $SU(2)_L$ triplet vector boson $ρ$ with mass range of $1.8 \sim 2$ TeV would be produced through the Drell-Yan process with sizable diboson decay branching to account for the excess. The other $SU(2)_L imes SU(2)_R$ bidoublet axial vector boson $a$ would cancel all deviations of electroweak obervables induced by $ρ$ even if the SM fermions mix with some heavy vector like (composite) fermions which couple to $ρ$ ("non-universally partially composite"), therefore allows arbitrary couplings between each SM fermion and $ρ$. We present our model in the "General Composite Higgs" framework with $SO(5) imes U(1)_X ightarrow SO(4) imes U(1)_X$ breaking at scale $f$ and demand the first Weinberg sum rule and positive gauge boson form factors as the theoretical constraints. We find that our model can fit the diboson excess very well if the left-handed SM light quarks, charged leptons and tops have zero, zero/moderately small and moderate/large composite components for reasonable values of $g_ρ$ and $f$. The correlation between tree level $S$ parameter and the $h ightarrow Z γ$ suggest a large $a$ contribution to $h ightarrow Z γ$ and it is indeed a $\mathcal{O}(1)$ effect in our parameter space which provides a strong hint for our scenario if this diboson excess is confirmed by the $13 \sim 14$ TeV LHC Run II.

研究の動機と目的

• Large Hadron Collider（LHC）のATLASおよびCMSデータで観測された1.8–2 TeVの二ボソン共鳴状態過剰現象を説明すること。
• 二ボソン崩壊に必要な大きな $\rho$ 結合定数と電弱精度テスト（EWPT）の間の矛盾、特に大きな $S$ パラメータを解消すること。
• $\rho$ ボソンが混合を通じて標準模型（SM）フェルミオンに普遍的に結合する一方で、部分的複合性により、EWPTを損なわずに任意の結合強度を許容するモデルを構築すること。
• 第一ワインバーグ和則則と正のゲージ形式因子を満たすことで、理論的整合性を保証し、$SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 破れをスケール $f$ で実現すること。

提案手法

• スケール $f$ における $SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 破れを伴う「一般複合ヒッグス」フレームワークを採用し、スピン1レゾネンスに対してボソン支配を組み込む。
• $\rho$ を三重項のベクトルボソン、$a$ を双二重項の軸性レゾネンスとし、$SU(2)_L \times SU(2)_R$ において $(2,2)$ に変換する。$a$ は電弱対称性破れ（EWSB）以前にはフェルミオンに結合しない。
• 第一ワインバーグ和則則を導入し、正のゲージボソン形式因子を要求することで、モデルを制約し、ウィッテンの定理に整合させる。
• $\Gamma(\rho \to WW, WZ, Zh, f\bar{f}) \propto g^2_{\rho\text{ current}} / m_\rho^2$ および $\Gamma \propto g^2_{\rho f\bar{f}}$ を用いて $\rho$ の崩壊幅を計算する。
• 質量行列を対角化し、$h \to Z\gamma$ の有効結合を導出する。その結果、$a$ ボソンが $\mathcal{O}(1)$ のオーダーで寄与し、確認された場合の重要な検証可能なシグナルを提供する。
• パワー・カウンティングの見積もりにより、$\rho$-$a$ 混成は $g/g_\rho$ で抑制され、$\rho$ の結合が支配的であることが保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 対称性を持つ低スケールの複合ヒッグス模型は、電弱精度テスト（EWPT）を破壊することなく、1.8–2 TeVの二ボソン過剰現象を説明できるか？
• RQ2 $\rho$ ボソンが二ボソンに大きな結合定数を持つ場合、$S$ パラメータと他のEWPT制約はどのようにキャンセルされるか？
• RQ3 軸性レゾネンス $a$ は、$S$ パラメータとフェルミオン結合に起因する偏差をどのようにキャンセルするか？
• RQ4 $a$ ボソンによるキャンセルを介して、$\rho$ とSMフェルミオンの任意の結合を理論的に整合性を保った状態で許容できるか？
• RQ5 $a$ ボソンは $h \to Z\gamma$ の崩壊幅にどの程度の寄与を示すか？また、それが確認された場合の主要な特徴的シグナルになり得るか？

主な発見

• モデルは、$\rho$ レゾネンスが質量 $1.8\sim2$ TeVで、Drell-Yan過程により生成され、$WW$、$WZ$、$ZZ$ にそれぞれ6–10 fbの分支比で崩壊することで、1.8–2 TeVの二ボソン過剰現象をよく説明する。
• $a$ ボソンは $\rho$ によって引き起こされる大きな正の $S$ パラメータをキャンセルし、$\rho$-フェルミオン結合が任意に取れるようにする。これにより、EWPTに違反することなく、$\rho$ の結合を大きく保てる。
• $\xi \sim (0.05, 0.2)$ および $g_\rho \sim (1.5, 2.5)$ の範囲で、左巻きのSMの軽いクォークおよび電荷を帯びたレプトンに0または小さな複合成分を、トップクォークに中程度から大きな複合成分をとることで、モデルは二ボソン過剰現象をよく適合する。
• $a$ ボソンは $h \to Z\gamma$ の崩壊振幅に $\mathcal{O}(1)$ のオーダーで寄与し、二ボソン過剰現象がRun IIで確認された場合、強力で検証可能なシグナルを提供する。
• モデルは第一ワインバーグ和則則を満たし、正のゲージ形式因子を要請することで、理論的整合性と安定性を保証する。
• フェルミオンへの $\rho$ の結合は、主に $t_L$ の部分的複合性に支配され、$g_{\rho^{+}t_L b_L} \sim -g^2/g_\rho + g_\rho \epsilon_{t_L}^2$ と表される。これにより、$t\bar{t}\rho$ 結合を大きくしても、大きなEWPT効果を引き起こさない。