[論文レビュー] Old Wine in a New Bottle: Technidilaton as the 125 GeV Higgs -- Dedicated to the late Professor Yoichiro Nambu

Koichi Yamawaki|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、LHCで発見された125 GeVのヒッグス粒子が、スケール対称性とチャーミカル対称性の自発的破れを伴うウォークイン技術色理論から生じる複合粒子である技術ダイラトン（technidilaton）—複合擬スケーリング粒子—であると提案する。標準模型ヒッグスラグランジアンがスケール不変性を持つ非線形スレーター模型に等価であり、ゲージ不変性を持つ隠れた局所対称性（HLS）模型とも等価であることを示し、技術ダイラトン質量はトレース異常とPCDC（部分保存された拡大電流）によって生成され、自然に軽いヒッグスが得られ、SMより弱い結合定数を持つ。これは $N_C=4$, $N_F=8$ の場合にLHCデータと整合する。さらに反ヴェネツィアノ極限は、軽く弱い結合の技術ダイラトンを支持する。

ABSTRACT

We show that the Standard Model (SM) Higgs Lagrangian is identical to the nonlinear realization of both the scale and chiral symmetries ("scale-invariant nonlinear sigma model"), and is further gauge equivalent to the "scale-invariant Hidden Local Symmetry (HLS) model" having possible new vector bosons as the HLS gauge bosons with scale-invariant mass: SM Higgs is nothing but a (pseudo) dilaton. The effective theory of the walking technicolor has precisely the same type of the scale-invariant nonlinear sigma model, thus further having the scale-invariant HLS gauge bosons (technirho's, etc.). The technidilaton mass M_ϕcomes from the trace anomaly, which yields M_ϕ^2 F_ϕ^2 \simeq (2.5)^2 [(8/N_F)(4/N_C)] v^4 via PCDC, in the underlying walking SU(N_C) gauge theory with N_F massless flavors, where F_ϕis the decay constant and v=246 GeV. This implies F_ϕ\simeq 5 v for M_ϕ\simeq 125 GeV \simeq v/2 in the one-family walking technicolor model (N_F=8, N_C=4), in good agreement with the current LHC Higgs data. In the anti-Veneziano limit, N_C ightarrow \infty, with N_C α= fixed and N_F/N_C= fixed (\gg 1), we have a result: M_ϕ^2/v^2\sim M_ϕ^2/F_ϕ^2 \sim 1/(N_F N_C) ightarrow 0. Then the technidilaton is a naturally light composite Higgs out of the strongly coupled conformal dynamics, with its couplings even weaker than the SM Higgs.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグス粒子がウォークイン技術色理論における複合技術ダイラトンとして解釈可能かどうかを検討すること。
• 標準模型ヒッグスラグランジアンがスケール不変性を持つ非線形スレーター模型と、スケール不変性を持つゲージボソンを有する隠れた局所対称性（HLS）模型と等価であることを確立すること。
• 強い結合のコンフォーマルダイナミクスにおけるトレース異常とPCDC機構から技術ダイラトンの質量を導出すること。
• 反ヴェネツィアノ極限において技術ダイラトンが自然に軽く、弱い結合性を示すことを示し、SMヒッグスより結合定数が弱いことを示すこと。
• 理論的予測とLHCデータ、特にウォークイン領域における格子シミュレーションを結びつけること。

提案手法

• 標準模型ヒッグスをスケール対称性とチャーミカル対称性の非線形実現として定式化し、スケール不変性を持つ非線形スレーター模型に等価にすること。
• スケール不変性を持つゲージボソン（例：技術レオン）を有する隠れた局所対称性（HLS）模型を導入し、同じ物理的ダイナミクスのゲージ変換型実現とすること。
• 技術ダイラトン質量とエネルギー運動量テンソルのトレース異常を結びつけるPCDC（部分保存された拡大電流）関係を適用すること。
• 基礎となる $SU(N_C)$ ウォークイン技術色理論から、質量式 $M_{\text{phys}}^2 F_{\text{phys}}^2 \simeq \left[\frac{8}{N_F}\frac{4}{N_C}\right] \cdot (2.5)^2 \cdot v^4$ を導出すること。
• 反ヴェネツィアノ極限（$N_C \to \infty$, $N_C\alpha = \text{固定}$, $N_F/N_C = \text{固定} \gg 1$）を分析し、$M_{\phi}^2 / v^2 \sim 1/(N_F N_C) \to 0$ となることを示し、自然に軽い技術ダイラトンが得られることを示すこと。
• ウォークイン領域における格子QCDシミュレーションと予測を比較し、軽いフレーバー・シングレットスカラー状態の存在を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグス粒子は、スケール対称性とチャーミカル対称性の自発的破れを伴うウォークイン技術色理論において、技術ダイラトンとして特定可能か？
• RQ2 強い結合ゲージ理論におけるトレース異常とPCDC機構から技術ダイラトン質量はどのように生じるか？
• RQ3 1ファミリーのウォークイン技術色理論モデルにおいて、技術ダイラトンの崩壊定数 $F_\phi$ とヒッグス真空期待値 $v$ の関係は何か？
• RQ4 反ヴェネツィアノ極限は技術ダイラトン質量と結合定数にどのように影響を与え、自然に軽い複合ヒッグスを生じるか？
• RQ5 技術ダイラトンのシナリオは、LHCデータとウォークイン領域における格子シミュレーションと整合的か？

主な発見

• 125 GeVのヒッグス粒子は、スケール対称性とチャーミカル対称性の自発的破れを伴うウォークイン技術色理論から生じる複合粒子である技術ダイラトン（技術擬スケーリング粒子）として特定される。
• 標準模型ヒッグスラグランジアンは、スケール不変性を持つ非線形スレーター模型と等価であり、スケール不変性を持つゲージボソンを有する隠れた局所対称性（HLS）模型とも等価である。
• $N_C=4$, $N_F=8$ の1ファミリーのウォークイン技術色理論モデルにおいて、技術ダイラトンの崩壊定数は $F_\phi \simeq 5v$ であり、LHCヒッグスデータと整合的である。
• 技術ダイラトン質量はトレース異常を経由したPCDC関係から生じ、$M_\phi^2 F_\phi^2 \simeq \left[\frac{8}{N_F}\frac{4}{N_C}\right] \cdot (2.5)^2 \cdot v^4$ という式から得られ、$M_\phi \simeq 125\,\text{GeV}$ を再現する。
• 反ヴェネツィアノ極限において $M_\phi^2 / v^2 \sim 1/(N_F N_C) \to 0$ となるため、自然に軽い複合ヒッグスであり、SMヒッグスより結合定数が弱いことが示される。
• ウォークイン領域における格子シミュレーションは、技術ダイラトンに一致する軽いフレーバー・シングレットスカラー状態の存在を確認している。