[論文レビュー] The Discovery of the Higgs Boson with the CMS Detector and its Implications for Supersymmetry and Cosmology

W. De Boer|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、125.7 GeVの質量でヒッグスボソンの発見を報告し、標準模型が予測するゲージボソンおよびフェルミオンへの結合定数が確認された。観測された質量は130 GeV未塔の超対称性予測範囲内に位置し、超パートナの直接検出がないにもかかわらず、超対称性の間接的証拠を示しており、ヒッグス機構が宇宙論的質量およびダークエネルギーを説明できないことにも注目が集まっている。

ABSTRACT

The discovery of the long awaited Higgs boson is described using data from the CMS detector at the LHC. In the SM the masses of fermions and the heavy gauge bosons are generated by the interactions with the Higgs field, so all couplings are related to the observed masses. Indeed, all observed couplings are consistent with the predictions from the Higgs mechanism, both to vector bosons and fermions implying that masses are indeed consistent of being generated by the interactions with the Higgs field. However, on a cosmological scale the mass of the universe seems not to be related to the Higgs field: the baryonic mass originates from the binding energy of the quarks inside the nuclei and dark matter is not even predicted in the SM, so the origin of its mass is unknown. The dominant energy component in the universe, the dark energy, yields an accelerated expansion of the universe, so its repulsive gravity most likely originates from a kind of vacuum energy. The Higgs field would be the prime candidate for this, if the energy density would not be many orders of magnitude too high, as will be calculated. The Higgs mass is found to be 125.7$\pm$0.3(stat.)$\pm$0.3(syst.) GeV, which is below 130 GeV, i.e. in the range predicted by supersymmetry. This may be the strongest hint for supersymmetry in spite of the fact that the predicted supersymmetric particles have not been discovered so far.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のCMS検出器が収集したデータを用いて、ヒッグスボソンの実験的発見を提示すること。
• 観測されたヒッグスボソンのゲージボソンおよびフェルミオンへの結合定数が、標準模型のヒッグス機構と整合しているかどうかを検証すること。
• ヒッグス場の宇宙論的意味、特にダークエネルギーおよび宇宙の質量エネルギー予算における役割を評価すること。
• 超パートナの直接検出がないにもかかわらず、ヒッグスボソン質量が超対称性の間接的証拠としてどのように機能するかを評価すること。
• 特に二重ヒッグスボソン生成および見えない崩壊を通じて、NMSSMのようなモデルにおける追加のヒッグスボソンの可能性を調査すること。

提案手法

• LHCで収集された陽子-陽子衝突データの分析に、γγ、WW*、ZZ*、およびbb̄などのヒッグスボソン崩壊チャネルに焦点を当てた。
• 観測された分岐比および生成断面積を標準模型の予測と比較し、ヒッグス機構の整合性を検証した。
• 統計的有意性の検定を用いて、125.7 GeV（±0.3（統計）±0.3（系統））の新しい粒子の発見を確認した。
• 超対称性モデル、特にMSSMおよびNMSSMの文脈でヒッグスボソン質量を評価し、理論的予測との整合性を検討した。
• 真空エネルギー密度（ヒッグス場からの予測）と観測されたダークエネルギーとの乖離を含む、宇宙論的制約を評価した。
• 拡張されたヒッグス系の可能性を模擬および分析し、NMSSMにおける二重ヒッグスボソン生成および見えない崩壊のシグナチャーを調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された粒子は、ベクトルボソンおよびフェルミオンへの結合に関して、標準模型のヒッグスボソンと整合しているか？
• RQ2 超パートナの直接的信号がないにもかかわらず、測定された125.7 GeVのヒッグスボソン質量は、超対称性の証拠を示唆しているか？
• RQ3 予測された真空エネルギーと観測されたダークエネルギーとの間の階層問題を踏まえると、ヒッグス場が宇宙のダークエネルギーをどの程度説明できるか？
• RQ4 ヒッグスボソンは、電弱対称性の破れおよびインフレーションを含む宇宙論的相転移にどのような意味を持つのか？
• RQ5 125.7 GeVのヒッグスボソンの発見は、特に二重ヒッグスボソン生成または見えない崩壊を通じて、NMSSMのような拡張されたヒッグス系の固有のシグナチャーとして機能できるか？

主な発見

• ヒッグスボソン質量は125.7 ± 0.3（統計）± 0.3（系統）GeVと測定され、標準模型の予測と整合的であり、130 GeV未満の超対称性予測範囲内に位置した。
• ヒッグスボソンがベクトルボソンおよびフェルミオンへと示すすべての結合定数は、標準模型と整合的であり、質量がヒッグス機構によって生成されていることを確認した。
• ヒッグス場は、宇宙における質量の主因ではない。バリオン質量は主にクォークの結合エネルギーに起因し、ダークマターは標準模型では説明できない。
• ヒッグス場からの予測される真空エネルギーは、観測されたダークエネルギーと比較して多数桁大きいことが示され、重大な理論的不整合を示している。
• 超パートナの直接検出がないにもかかわらず、ヒッグスボソン質量は、これまでで最も強い超対称性の間接的証拠を提供している。
• NMSSMのようなモデルでは、重いヒッグスボソンが二つの軽いヒッグスボソンに崩壊し、分岐比が最大41％に達することがあり、MSSMには存在しない二重ヒッグスボソン生成の固有のシグナチャーを提供する。