[論文レビュー] Walking on the Ladder: 125 GeV Technidilaton, or Conformal Higgs -Dedicated to the late Professor Yoichiro Nambu-

Shinya Matsuzaki, Koichi Yamawaki|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された125 GeVのヒッグス粒子が、ウォークイン技術色力学における近似的なスケール対称性の自発的破れから生じる技術ダイラトン（擬スケール・ニーマン＝ゴールドストーン粒子）であると提案する。ラダーフェルミオンのシュヴィンガー＝ダイソン方程式を反・ベネツィアノ極限（$N_C \to \infty$、$N_F/N_C$ を固定）で用い、技術ダイラトンの質量と崩壊定数を導出し、$N_C=4$、$N_F=8$ の場合に $F_\phi \simeq 5v_{\text{EW}}$ が得られ、LHCの観測データと非常に良好に一致する。

ABSTRACT

The walking technicolor based on the ladder Schwinger-Dyson gap equation is studied, with the scale-invariant coupling being an idealization of the Caswell-Banks-Zaks infrared fixed point in the "anti-Veneziano limit", such that $N_C ightarrow \infty$ with $N_C \cdot α(μ^2)=$ fixed and $N_F/N_C=$ fixed ($\gg 1$), of the $SU(N_C)$ gauge theory with massless $N_F$ flavors near criticality. We show that the 125 GeV Higgs can be naturally identified with the technidilaton (TD) predicted in the walking technicolor, a pseudo Nambu-Goldstone (NG) boson of the spontaneous symmetry breaking of the approximate scale symmetry. Ladder calculations yield the TD mass $M_ϕ$ from the trace anomaly as $M_ϕ^2 F_ϕ^2= -4 \langle θ_μ^μ angle = - \frac{β(α(μ^2))}{α(μ^2)}\, \langle G_{λν}^2(μ^2) angle \simeq N_C N_F\frac{16}{π^4} m_F^4$, independently of the renormalization point $μ$, where $m_F$ is the dynamical mass of the technifermion, and $F_ϕ={\cal O} (\sqrt{N_F N_C}\, m_F)$ the TD decay constant. It reads $M_ϕ^2\simeq (\frac{v_{ m EW}}{2} \cdot \frac{5 v_{ m EW}}{F_ϕ})^2 \cdot [\frac{8}{N_F}\frac{4}{N_C}]$, ($v_{ m EW}=246$ GeV), which implies $F_ϕ\simeq 5 \,v_{ m EW} $ for $M_ϕ\simeq 125\, { m GeV}\simeq \frac{1}{2} v_{ m EW}$ in the one-family model ($N_C=4, N_F=8$), in good agreement with the current LHC Higgs data. The result reflects a generic scaling $ M_ϕ^2/v_{ m EW}^2\sim M_ϕ^2/F_ϕ^2 \sim m_F^2 /F_ϕ^2 \sim 1/(N_F N_C) ightarrow 0 $ as a vanishing trace anomaly, namely the TD has a mass vanishing in the anti-Veneziano limit, similarly to $η^\prime$ meson as a pseudo-NG boson of the ordinary QCD with vanishing $U(1)_A$ anomaly in the Veneziano limit ($N_F/N_C \ll 1$).

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力学におけるスケール対称性の自発的破れから生じる技術ダイラトンとして説明可能であることを示すこと。
• 技術ダイラトンの質量と崩壊定数が、ラダーフェルミオンのシュヴィンガー＝ダイソンアプローチにおけるトレース異常から一貫して導けることを示すこと。
• モデルが $N_C=4$、$N_F=8$ の場合に $F_\phi \simeq 5v_{\text{EW}}$ を予測し、LHCのヒッグス信号強度と一致することを示すこと。
• 反・ベネツィアノ極限を通じて、技術ダイラトンとコンフォーマル・ヒッグスのシナリオとの関係を確立すること。
• 14 TeV LHCにおけるジジェット対生成におけるggF混合比と信号強度の見積もりを通じて、モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 反・ベネツィアノ極限（$N_C \to \infty$、$N_C \alpha(\mu^2) = \text{固定}$、$N_F/N_C = \text{固定} \gg 1$）におけるラダーフェルミオンのシュヴィンガー＝ダイソンギャップ方程式を用い、ウォークイン技術色力学をモデル化する。
• トレース異常から技術ダイラトン質量を導出：$M_\phi^2 F_\phi^2 = -\langle \theta_\mu^\mu \rangle = -\frac{\beta(\alpha)}{\alpha} \langle G_{\lambda\nu}^2 \rangle \simeq N_C N_F \frac{16}{\pi^4} m_F^4$。
• 技術ダイラトンの崩壊定数を $F_\phi \simeq \sqrt{N_F N_C} \, m_F$ として表現し、$m_F$ を動的な技術フェルミオン質量とする。
• 質量関係式 $M_\phi^2 \simeq \left(\frac{v_{\text{EW}}}{2} \cdot \frac{5v_{\text{EW}}}{F_\phi}\right)^2 \cdot \left(\frac{8}{N_F} \frac{4}{N_C}\right)$ を導出し、$M_\phi$ を $F_\phi$ と $v_{\text{EW}} = 246$ GeV に結びつける。
• Ref. DelDuca:2001fn からの位相空間カットを用い、14 TeV LHCにおける $h+2j$ 生産における ggF 混合比 $r_{\text{ggF+jj}} \simeq 0.3$ を見積もり。
• VBF と ggF の断面積比を用いて信号強度 $\mu_{2j}^{X_1X_2}$ を計算し、$F_\phi$ 依存の結合定数と崩壊比率を組み込む。

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、スケール対称性の自発的破れを伴うウォークイン技術色力学において技術ダイラトンとして特定可能か？
• RQ2 ラダーフェルミオンのシュヴィンガー＝ダイソン枠組みにおいて、1ファミリー・モデル（$N_C=4$、$N_F=8$）における技術ダイラトンの崩壊定数 $F_\phi$ の予測値は何か？
• RQ3 反・ベネツィアノ極限において、技術ダイラトン質量は $N_C$ と $N_F$ に対してどのようにスケーリングするか？また、擬スケール・ニーマン＝ゴールドストーン粒子として期待されるようにゼロに近づくか？
• RQ4 ggF 生産チャンネルが技術ダイラトンのジジェット対信号にどの程度混入するか？その影響は信号強度測定に及ぼすか？
• RQ5 観測されたLHCのヒッグス信号強度（$\mu_{\text{VBF}}^{WW/ZZ/\tau\tau} \simeq 0.6$、$\mu_{\text{VBF}}^{\gamma\gamma} \simeq 0.8$）は、$F_\phi \simeq 5v_{\text{EW}}$ の技術ダイラトンシナリオと整合するか？

主な発見

• 技術ダイラトン質量はトレース異常から $M_\phi^2 F_\phi^2 \simeq N_C N_F \frac{16}{\pi^4} m_F^4$ として導出され、再生産スケール $\mu$ に依存しない。
• $N_C=4$、$N_F=8$ の場合、$M_\phi \simeq 125$ GeV を達成するため $F_\phi \simeq 5v_{\text{EW}}$ を予測し、観測されたヒッグス質量と一致する。
• VBF 生産の $WW/ZZ/\tau\tau$ チャネルにおける信号強度は $\mu_{\text{VBF}}^{WW/ZZ/\tau\tau} \simeq 0.6 \left(\frac{v_{\text{EW}}/F_\phi}{0.23}\right)^2$ と推定され、$F_\phi \simeq 5v_{\text{EW}}$ 時にLHCデータと一致する。
• $\gamma\gamma$ チャネルの信号強度は $\mu_{\text{VBF}}^{\gamma\gamma} \simeq 0.8 \left(\frac{v_{\text{EW}}/F_\phi}{0.23}\right)^2$ であり、これも観測データと整合する。
• ggF 混合比 $r_{\text{ggF+jj}} \simeq 0.3$ は位相空間カットから導出され、ヒッグス結合依存性に依存しない信号強度比の見積もりに用いられる。
• モデルは $N_C=4$ の場合に $r_{\text{contam}}(\phi) \simeq 106$ を予測し、顕著なggF混入を示す一方、$r_{\text{contam}}(h) \simeq 1.4$ と標準模型ヒッグスとは大きく異なる信号構造を示す。