[論文レビュー] Phenomenology of heavy fermion and vector resonances in composite Higgs models

Natascia Vignaroli|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、重いフェルミオンとベクトルレゾナントを伴う複合ヒッグスモデル（CHMs）を調査し、フラバー制約とLHCでの発見可能性に焦点を当てる。2サイト有効ラグランジアンを用いて、$b\to s\gamma$崩壊からのフラバーに依存しない重いフェルミオン質量の上限を特定し、$G^*$と重いフェルミオンが $G^* \to t' \bar{b}$ および $t' \to Wb$ 崩壊を通じてLHCで初期段階で発見可能であると提言する。トップクォークの複合性はインバリアント質量再構成から抽出可能である。

ABSTRACT

In this project we study the phenomenology of models where the Higgs is a bound state of a strongly interacting dynamics at the TeV scale and we assess the LHC potential to discover new heavy colored states. In the first part of the thesis we analyze the bounds on the spectrum of Composite Higgs Models (CHM) that come from flavor observables. In the second part we propose a novel strategy to discover a heavy gluon ($G^*$) and heavy fermions at the LHC. We do so by means of simple two-site effective Lagrangians, which could also be used in further phenomenological studies on CHM. From the analysis of the bounds on the CHM spectrum, we derive an important constraint on the masses of the heavy fermions which does not depend on the flavor structure of the sector beyond the SM. This bound is obtained from the infrared contribution to $b o sγ$ induced by the flavor-conserving effective vertex $Wt_Rb_R$. We find that the presence of a custodial symmetry can play a role in protecting this effective coupling. Studying the heavy colored vectors phenomenology, we find that heavy composite fermions have a great impact on the phenomenology of heavy composite gluon at the LHC. If the composite gluon is heavier than the composite fermions, as flavor observables seem to suggest, the search in the channels where $G^*$ decays into one heavy fermion plus its Standard Model partner is very promising, with the possibility for both the $G^*$ and heavy fermions to be discovered at the early stage of the LHC. These channels offer also the possibility to extract important information on model's parameters, such as the top degree of compositeness.

研究の動機と目的

• 複合ヒッグスモデル（CHMs）における新しい重い色荷を持つ状態、特に重いフェルミオンと重いグルーオン ($G^*$) のLHC発見可能性を評価すること。
• $b\to s\gamma$ 崩壊を用いて、赤外寄与による $Wt_Rb_R$ 有効頂点に依存しない重いフェルミオン質量の制約を導出すること。
• $G^* \to t' \bar{b}$ および $t' \to Wb$ 崩壊チェーンに基づく、LHCにおける $G^*$ と重いフェルミオンの新しい探索戦略を提言すること。
• $Wtb$ 終状態におけるインバリアント質量再構成により、トップクォークの複合性度が抽出可能であることを示すこと。

提案手法

• 2サイト有効ラグランジアン（TS5 および TS10）を構築し、CHMsにおける $G^*$、重いフェルミオン、ヒッグス系の相互作用をモデル化する。
• 小混合パラメータ $x \sim Y_*v/\sqrt{2}m_*$ における摂動的対角化を用いて、$b\to s\gamma$ における赤外および紫外寄与による有効 $Wt_Rb_R$ コアラの計算を行う。
• $G^*$ の生成断面積と分支比を評価し、特に $G^* \to t' \bar{b}$ および $t' \to Wb$ 崩壊チャネルに注目する。
• $Wtb$ 終状態の信号およびバックグラウンドのシミュレーションを実施し、受容性カットとインバリアント質量再構成を適用して $G^*$ および $t'$ レゾナントを分離する。
• $Wtb$ チャネルを用いて $t'$ および $G^*$ の質量を再構成し、トップクォークの複合性パラメータの抽出を可能にする。
• CHMパrameter空間における発見可能性の範囲を分析し、初期LHC発見に適した領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複合ヒッグスモデルのスペクトルにおけるフラバー制約、特に $b\to s\gamma$ からのものとは何か？
• RQ2 赤外ダイナミクスによって誘導されるフラバー保存型有効結合 $Wt_Rb_R$ が、フラバー構造に依存しない重いフェルミオン質量の普遍的上限を課すことができるか？
• RQ3 カスティドル対称性がCHMsにおける $Wt_Rb_R$ コアラをどのように保護するか？
• RQ4 重いグルーオン ($G^*$) 及び関連する重いフェルミオンを発見するための最適なLHC探索戦略は何か？
• RQ5 $Wtb$ 終状態における $G^*$ および $t'$ レゾナント再構成から、トップクォークの複合性度を抽出できるか？

主な発見

• 赤外寄与による $b\to s\gamma$ からのフラバーに依存しない重いフェルミオン質量の上限が生じ、カスティドル対称性が存在しない場合、$m_{t_R} \lesssim 1.5\,\text{TeV}$ にスケーリングする。
• $Wt_Rb_R$ 有効結合は $P_C$ パリティによって保護され、$t_R$-バイリニア項からの大きな寄与が抑制される。
• $m_{G^*} > m_{t'}$ の場合、$G^* \to t' \bar{b}$ 崩壊チャネルは初期LHC発見に非常に有望である。
• $Wtb$ 終状態では、$G^*$ および $t'$ レゾナントの両方の再構成が成功し、トップクォークの複合性パラメータの抽出が可能である。
• $G^* \to \psi\chi$ チャネルは、カット後で顕著な信号対バックグラウンド比を示す補足的発見チャネルを提供する。
• 分析から、$m_{G^*} > m_{t'}$ の場合、初期LHCで $G^*$ および重いフェルミオンが発見可能であり、発見範囲は $m_{G^*} \sim 2.5\,\text{TeV}$ および $m_{t'} \sim 1.5\,\text{TeV}$ まで延びることが示された。