[論文レビュー] Sigma-assisted natural composite Higgs

Diogo Buarque Franzosi, Giacomo Cacciapaglia+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、軽いスカラー励起状態（$\sigma$）がコンposite Higgs ボソンと混合することで、低スケールのコンポジットHiggs モデルにおける通常の階層問題の制約が緩和され、コンポジットスケール $f \gtrsim 400$ GeV および歪み角 $s_\theta \lesssim 0.6$ が可能になることが提案されている。これは一般的な $s_\theta \lesssim 0.2$ の制限とは対照的である。このメカニズムは、臨界に近い自己相互作用の相を示すウォークイング／動的ワープドモデルにおいて自然に生じる。また、$ZZ$ および $t\bar{t}$ からの崩壊モードを通じてLHCで検証可能である。

ABSTRACT

We show that the presence of a lightish scalar resonance, $σ$, that mixes with the composite Goldstone-Higgs boson can relax the typical bounds found in this class of models. This mechanism, inbred in models with a walking dynamics above the condensation scale, allows for a low compositeness scale $f \gtrsim 400$ GeV, corresponding to a misalignment angle $\sinθ\lesssim 0.6$, contrary to the common lore of a smaller angle. According to recent lattice results, the light $σ$ emerges thanks to a near-conformal phase above the condensation scale, consistent to the requirements from flavour physics. We study this effect in a general way, showing that it appears in all cosets emerging from an underlying gauge-fermion dynamics, in the presence of top partial compositeness. The scenario is testable both on the Lattice and experimentally, as it requires the presence of a second broad Higgs-like resonance, below 1 TeV, that can be revealed at the LHC in the $ZZ$ and $t\bar{t}$ channels.

研究の動機と目的

• コンポジットゴルドストーンHiggsモデルにおける「小さな階層問題」に対処すること。ここでは、非対角的 $S$ および $T$ パラメータのおかげで、通常は電弱スケール $v$ よりもはるかに大きなコンポジットスケール $f$ を必要とする。
• Higgs と混合する軽いスカラー励起状態（$\sigma$）が、低スケールの $f$ と電弱精度観測量（EWPOs）の実験的制約との間に生じる緊張を緩和できるかどうかを調査すること。
• このような $\sigma$ 状態が、凝縮スケールより上位のウォークイングまたは臨界に近い動的ダイナミクスを持つモデルにおいて自然に生じることを示すこと。これは、格子QCDの結果とも整合する。
• 従来の常識とは対照的に、$f \gtrsim 400$ GeV および $s_\theta \lesssim 0.6$ の条件下でもモデルが成立することを示すこと。
• $ZZ$ および $t\bar{t}$ 崩壊モードを通じた $\sigma$ 状態のLHCでの発見チャンネルを同定し、実験的検証を可能にすること。

提案手法

• 著者らは、強いゲージ・フェルミオン系のダイナミクスに起因する対称性のcoset空間において、コンポジットHiggs ボソン（pNGB）と軽いスカラー励起状態（$\sigma$）の混合を記述する一般化された有効ラグランジアンを構築した。
• トップクォークの部分的コンポジット性と、真空の歪みをパrameter化する歪み角 $\theta$ を含め、$v = f s_\theta$ とする。
• ベクトルおよび軸性ベクトル励起状態をモデルに取り入れ、SMゲージボソンとこれらの励起状態との間の混合はパrameter $r$ によって制御され、これが非対角的 $S$ および $T$ パラメータを決定する。
• 非対角的パラメータ $S$ および $T$ は、$W^\pm$、$Z$、および光子の場の混合質量行列から、標準的な $\Pi_{WW}$、$\Pi_{33}$、$\Pi_{3B}$、$\Pi_{BB}$ の自己エネルギーを用いて計算された。
• $\sigma$ 状態は、基礎的なダイナミクスに従って質量と結合定数が決定され、調整されないスカラー励起状態として導入され、Higgs との混合はスカラー系における混合角によって記述された。
• 格子QCDおよびホログラフィックモデルを用いて、特にウォークイング領域において、このような軽い $\sigma$ 状態が近似的に臨界な理論に存在することを正当化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Higgs ボソンと混合する軽いスカラー励起状態（$\sigma$）が、コンポジットHiggs モデルにおけるコンポジットスケール $f$ の通常の下限を緩和できるか？
• RQ2 軽い $\sigma$ 励起状態の存在が、電弱精度観測量（EWPOs）と整合する範囲で、より大きな歪み角 $s_\theta \lesssim 0.6$ を許容できるか？
• RQ3 最近の格子計算結果が示唆するように、凝縮スケールより上位のウォークイングまたは臨界に近い相を持つモデルにおいて、$\sigma$ 状態が自然に生成されるか？
• RQ4 $ZZ$ および $t\bar{t}$ 崩壊モードを通じてLHCで $\sigma$ 励起状態を発見できるか？また、その信号強度はどの程度か？
• RQ5 特に低スケールのコンポジットスケールにおいて、$\sigma$-Higgs 混合が含まれる場合、$S$ および $T$ パラメータの制約はどの程度頑健か？

主な発見

• Higgs ボソンと混合する軽い $\sigma$ 励起状態の存在により、コンポジットスケールは $f \gtrsim 400$ GeV まで低下可能であり、通常の $f \gtrsim 1.2$ TeV の制約と比べて顕著に緩和される。
• 歪み角は $s_\theta \lesssim 0.6$ まで拡大可能であり、観測されたHiggs質量 $m_h \approx 125$ GeV とも整合する。これは従来の $s_\theta \lesssim 0.2$ の制限に反する。
• $\sigma$ 状態は、凝縮スケールより上位のウォークイングまたは臨界に近い相を持つモデルにおいて自然に生じる。これは、最近の格子QCDの結果が、このような理論に軽いスカラー励起状態を示していることとも整合する。
• $\widetilde{g} \gtrsim 2$ の範囲で、$f$ が低くても非対角的 $S$ および $T$ パラメータは実験的制約内に収まり、$\sigma$-Higgs 混合のおかげで安定化効果が生じる。典型的なパrameter値では、$S$-$T$ 平面に谷が残存する。
• LHCでは $ZZ$ および $t\bar{t}$ 崩壊モードを通じて $\sigma$ 励起状態を探索可能であり、$m_\sigma \lesssim 1$ TeV の範囲で信号強度が検出可能になる可能性がある。
• 異なるcoset構造（例：$Sp(N)/Sp(N-2)\times U(1)$、$SO(N)/SO(N-2)\times U(1)$）においてもモデルの頑健性が確認され、$S$ および $T$ パラメータの補正が同一であるため、普遍的なメカニズムであることが示された。