[論文レビュー] New theories for the Fermi scale

Christophe Grojean|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用数 19

ひとこと要約

この論文は、ヒッグス粒子が基本的でない場合に、階層問題と電弱対称性の自发的破れを解決するフェルミスケールの新物理モデルをレビューする。リトル・ヒッグス、コンposite・ヒッグス、ヒッグスレスモデルといった理論を検討し、ゲージボソン質量がナムブ＝ゴールドストンモードや高次元ゲージ力学によって生成される仕組みを示し、LHC や将来のコライダーで検出可能なキーサイナプスとして、カルラ・キーン共振状態や修正された結合定数を提示する。

ABSTRACT

Electroweak interactions need three Nambu-Goldstone bosons to provide a mass to the W and the Z gauge bosons but they also need an ultra-violet moderator or new physics to unitarize the gauge boson scattering amplitudes. In this talk, I will present various recent models of physics at the Fermi scale: several deformations of the Minimal Supersymmetric Standard Model, Little Higgs models, holographic composite Higgs models, 5D Higgsless models.

研究の動機と目的

• 標準模型ヒッグス機構の代替として、階層問題を解消し、電弱スケールを安定化させる可能性のある代替モデルを探索すること。
• ヒッグスがグローバル対称性やゲージ対称性のもとで擬スネイク＝ゴールドストン粒子として実現されるモデル、あるいは高次元におけるゲージ場成分として現れるモデルを調査すること。
• カルラ・キーン共振状態やゲージ結合の変更といった特徴的なコライダー信号を特定し、それらが標準模型と区別可能かどうかを検討すること。
• 電弱精度測定、ダークマター制約、および宇宙論的観測の観点から、これらのモデルの妥当性を評価すること。
• 弱スケールにおける新物理を探る上で、コライダー物理学、天体物理学、重力波探索の相乗効果を強調すること。

提案手法

• 近似的なグローバル対称性によってヒッグス質量を安定化させるために、最小限の超対称標準模型（MSSM）の変形を分析する。
• リトル・ヒッグスモデルにおいて、ヒッグスがグローバル対称性によって保護される擬スネイク＝ゴールドストン粒子として実現され、トップクォークの寄与が集合的対称性の破れによってキャンセルされることを検討する。
• 強い相互作用のハーモニックな構造に基づく、コンポジット・ヒッグスモデルを研究し、ヒッグスが新しい強い相互作用の束縛状態として出現することを示す。
• 5次元のヒッグスレスモデルでは、ヒッグスが歪んだ高次元におけるゲージ場に置き換えられ、カルラ・キーン励起状態によってユニタリティが保たれることを検証する。
• 有効場理論的手法を用いてコンポジット・ヒッグスモデルを記述し、結合定数や質量に関する制約を導出する。
• コライダーのシグネチャとして、ベクトルボソン融合やカルラ・キーン共振状態のドル・イェン生成を評価し、10 fb⁻¹ の積分照射量を持つLHCでの発見可能性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基本的ヒッグス粒子が存在しない状況で、ユニタリティと自然性を保ちつつ、電弱対称性の破れをどのように実現できるか？
• RQ2 ヒッグスレスやコンポジット・ヒッグスモデルが標準模型と区別可能な特徴的なコライダー信号（例：カルラ・キーン共振状態や修正されたゲージ結合）は何か？
• RQ3 グローバル対称性やゲージ対称性を持つモデルにおいて、ヒッグスが擬スネイク＝ゴールドストン粒子として実現される程度は何か？ そして、これにより結合性にどのような影響が生じるか？
• RQ4 弱スケール近辺の強いダイナミクスが、実際にはコンポジット束縛状態である軽いヒッグスに類似した状態を生成できるか？ そして、これにより精度観測量にどのような影響が生じるか？
• RQ5 ダークマター検出や確率的重力波背景といった天体的・宇宙論的プローブは、フェルミスケールにおける新物理のコライダー探索をどの程度補完できるか？

主な発見

• 歪んだ高次元を有するヒッグスレスモデルでは、$W$ および $Z$ ボソンのカルラ・キーン励起状態によってゲージボソン散乱がユニタリティを保つことができ、最も軽い励起状態はLHCで10 fb⁻¹ の積分照射量、700 GeVのエネルギーで発見可能である可能性がある。
• リトル・ヒッグスモデルでは、トップクォークによるヒッグス質量への寄与がグローバル対称性による集合的対称性の破れによってキャンセルされ、ヒッグス質量の二次発散から保護され、自然性が達成される。
• 強いダイナミクスに基づくコンポジット・ヒッグスモデルでは、新しい強い相互作用の束縛状態として軽いヒッグスに類似した状態が予測され、ゲージボソンおよびフェルミオンへの結合定数がコンポジット性の度合いに応じて修正される。
• コンポジット・ヒッグスモデルのハーモニック記述は、有効場理論として標準模型と2–3 TeVまで一致し、ヒッグス結合やトップクォーク相互作用の偏差が将来的なコライダーで探査可能である可能性がある。
• LHCで125 GeVの範囲にヒッグスに類似た共鳴状態が発見されたことは、基本的ヒッグスとコンポジット・ヒッグスの両方のシナリオと整合的であるが、正確な結合定数測定がそれらを区別するために不可欠である。
• ダークマターがヒッグス粒子に散乱してモノクローマチックなガンマ線線を発生させるような天体的シグネチャは、ヒッグス生成の直接的証拠を提供し、ダークマターと電弱対称性の自発的破れを結びつける可能性がある。