[論文レビュー] Mirror World at the Large Hadron Collider

Riccardo Barbieri, Thomas Grégoire+1 more|ArXiv.org|Sep 22, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 76

ひとこと要約

本稿では、標準模型に $Z_2$ 対称性によって私たちの宇宙と同一の粒子および相互作用を持つコピー宇宙を結ぶ鏡世界の拡張を提案する。このモデルは、ヒッグス領域が標準模型よりも自然性の上限スケール $\Lambda_t$ を最大6倍まで引き上げられることを示しており、微調整を回避しつつ、LHCで新しい物理を探索可能である。モデルは非 degenerate ヒッグス二重項対 ($h_\pm$) を通じて観測可能な信号を予測しており、$h_-$ は軽くても検出可能であり、$h_+$ は強い四次相互作用を有する場合、高質量領域で観測可能である。

ABSTRACT

A mirror world can modify in a striking way the LHC signals of the Higgs sector. An exact or approximate Z_2 symmetry between the mirror world and our world allows large mixing between the Higgs bosons of these worlds, leading to production rates and branching ratios for these states that are markedly different from the standard model and are characteristic of a mirror world. The constraints on these Higgs boson masses from precision electroweak data differ from the standard model bound, so that the new physics that cancels the quadratic divergence induced by the top quark may appear at a larger scale, possibly beyond the reach of the LHC. However, the scale of new physics needed to cancel the quadratic divergence induced by the Higgs boson is not significantly changed. With small breakings of the Z_2 parity, the lightest mirror quarks (and possibly charged mirror leptons) could be the dark matter in the universe, forming galactic halos that are stable to cooling. A possible signal from the relic radiation density of the mirror world is also discussed.

研究の動機と目的

• 超対称性を要件としない標準模型の最小限の拡張を検討し、自然性を改善すること。
• 自然性の期待と一致しないにもかかわらず超パートナーが観測されないという「LEPのパラドックス」を、近似的な $Z_2$ 対称性を持つ鏡世界を導入することで解決すること。
• 電弱精度テストおよび宇宙論的制約（ダークマターおよび原始核合成を含む）と整合性を保つこと。
• 鏡モデルの非デジェネレートヒッグス領域に起因する明確で検証可能なLHCのシグナルを同定すること。
• 小さな $Z_2$ 違反が鏡バリオンの安定性、ダークマターの密度、および初期宇宙の放射エネルギー密度に与える影響を分析すること。

提案手法

• 同一のゲージ群および物質内容を持つ鏡セクターを導入し、$Z_2$ 対称性によって標準模型と結合する。
• 2つの renormalizable カップリングを含める：$\lambda_{12} H_1^\dagger H_1 H_2^\dagger H_2$ および $\epsilon B_1^{\mu\nu} B_2^{\mu\nu}$、ここで $\epsilon=0$ により電荷混合を回避する。
• ヒッグスポテンシャルを対称的な $SU(4)$-不変極限として扱い、その後 $Z_2$ 違反項によるソフトな破れによって非デジェネレートなヒッグス質量 $m_\pm$ を生成する。
• 物理的ヒッグスボソンとしてヒッグス質量固有状態 $h_\pm$ を使用し、$h_+$ が重く、$h_-$ が軽いものとする。それらの生成および崩壊断面積を計算する。
• 熱力学的および宇宙論的制約を適用し、鏡セクターの放射エネルギー密度 $\Delta N_\nu \approx 1.4$ および鏡QCD相転移の影響を決定する。
• トップクォークループ寄与を用いて自然性スケール $\Lambda_t$ を分析し、$m_+$ に比例することを示し、$m_h$ が軽くても顕著な増大が可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z_2$ 対称性を持つ鏡世界モデルは、微調整を伴わず、標準模型よりも自然性の上限スケール $\Lambda_t$ を大きくできるか？
• RQ2 鏡モデルにおける非デジェネレートヒッグス二重項対 $h_\pm$ に起因する検出可能なLHCシグナルは何か？
• RQ3 ヒッグス領域における小さな $Z_2$ 違反が、鏡バリオン質量、ダークマター密度、および初期宇宙の放射エネルギー密度に与える影響は何か？
• RQ4 重い $h_+$ と軽い $h_-$ を同時に満たしつつ、電弱精度テストおよびLHC制約を満たすモデルは可能か？
• RQ5 鏡セクターにおけるQCD相転移が、エントロピー生成および効果的ニュートリノ種数 $\Delta N_\nu$ に与える影響は何か？

主な発見

• 自然性の上限スケール $\Lambda_t$ は、$\Lambda_t \propto m_+$ であるため、$m_h$ が軽くても最大6倍まで引き上げられる。
• モデルは2つのヒッグスボソン、$h_+$ と $h_-$ を予測しており、$m_+ \gtrsim 150$ GeV かつ四次相互作用が強い場合、$h_+$ はLHCで観測可能である可能性がある。
• ヒッグスボソンの生成断面積は標準模型と比較して2分の1に抑制されるが、崩壊分岐比は計算可能であり、特に $h_+$ については特徴的である。
• 鏡セクターに起因する効果的ニュートリノ種数は $\Delta N_\nu \approx 1.4$ であり、PLANCK衛星によってテスト可能であり、QCD相転移が顕著なエントロピーを生成する場合、さらなる低減が可能である。
• ヒッグス質量パラメータにおける小さな $Z_2$ 違反は、陽子質量のおよそ5倍の鏡バリオンを安定化させ、両セクターに等しいバリオン非対称性が存在する場合でも十分なダークマター密度を生成する。
• 微調整を伴わず、$v_2/v_1$（真空期待値比）が中程度の値であっても、電弱精度テストによる $m_+$ の制約が緩和され、$\Lambda_t$ がLHCの探査範囲を超える可能性がある。