[논문 리뷰] Composite Higgs from mass-split models

Oliver Witzel, Anna Hasenfratz외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 125 GeV 힉스를 설명하기 위해 새로운 레지온이 필요로 하지 않는 복합 힉스 세그먼트의 가능 후보로, 네 개의 경량 및 여덟 또는 여섯 개의 고형량 페르미온 쿼르크를 가진 SU(3) 게이지 이론에서의 질량 분리 모델을 조사한다. 비perturbative 격자 시뮬레이션을 통해 이러한 모델이 근본적인 conformal 고정점에 의해 UV에서 초과스케일 성질과 큰 스케일 분리 성질을 나타내며, 이는 경량의 Pseudo-Nambu-Goldstone 유사 힉스 보손과 QCD와는 다름없는 매우 제약된 공명 스펙트럼을 유도함을 보여준다.

ABSTRACT

Beyond Standard Model theories describing the electro-weak sector must exhibit a large separation of scales (or "walking") to account for a light, 125 GeV Higgs boson and the fact that so far no other resonances have been observed. Large separation of scales arises naturally and in a tunable manner in mass-split models that are built on a conformal fixed point in the ultraviolet. Splitting the fermion masses into "light" (massless) and "heavy" flavors, the system shows conformal behavior in the ultraviolet but is chirally broken in the infrared. Due to the presence of a conformal fixed point, such chirally broken systems show hyperscaling and have a highly constrained resonance spectrum that is significantly different from the QCD spectrum. We highlight most characteristic features presenting numerical data obtained from dynamical simulations of an SU(3) gauge theory with four light and eight heavy flavors. In addition, we give an outlook on ongoing work simulating an SU(3) gauge theory with four light and six heavy flavors using a set-up well suited to explore e.g. mass-generation of Standard Model fermions via four-fermion interactions or partial compositeness.

연구 동기 및 목표

• 125 GeV 힉스를 새로운 레지온 없이 설명할 수 있는 큰 스케일 분리 성질을 가진 복합 힉스 모델을 탐색하기 위해.
• 경량 및 고형량 페르미온을 포함하는 질량 분리 모델이 UV에서 conformal 역학을 실현하고 IR에서 케이랄 대칭 붕괴를 겪는지 조사하기 위해.
• 이러한 모델이 경량의 힉스 보손을 Pseudo-Nambu-Goldstone 보손 또는 Dilaton 유사 상태로 유도할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 격자 시뮬레이션을 통해 IR에서의 초과스케일 성질과 스케일 불변성을 수치적으로 입증하기 위해.
• 강하게 결합된 영역에서 부분 복합성과 4-페르미온 상호작용을 향한 향후 연구의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 네 개의 경량 및 여덟 또는 여섯 개의 고형량 쿼르크를 가진 SU(3) 게이지 이론의 비perturbative 격자 양자장 이론 시뮬레이션을 수행한다.
• 트리 수준 개선된 Symanzik 게이지 작용과 스트롱-스미어드 Möbius 도메인 월 페르미온을 사용하여 케이랄 대칭을 유지한다.
• 수치적 안정성과 정확성을 확보하기 위해 IroIro++ 및 Grid 소프트웨어 패키지를 사용한다.
• 강입자 스펙트럼(양성자, 벡터, 아르키메데스 상태)을 계산하고, $ M_{\pi} / M_{\rho} $ 와 같은 비율을 분석하여 초과스케일 성질을 테스트한다.
• IR 행동과 conformal 스케일링을 탐색하기 위해 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ 비율을 제어 변수로 사용한다.
• conformal 장 이론과 QCD 유사 체계의 기대치와 결과를 비교하여 질량 분리 모델의 고유한 특징을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 개의 경량 및 여덟 또는 여섯 개의 고형량 쿼르크를 가진 질량 분리 모델이 근본적인 conformal 고정점으로 인해 초과스케일 성질과 큰 스케일 분리를 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이러한 모델의 스펙트럼은 복합 힉스를 일으키는 데 일치하는 특징적인 특성(예: 경량의 $ 0^{++} $ 스칼라)을 보이는가?
• RQ3 양성자, 벡터, 아르키메데스 상태의 질량은 경량-고형량 쿼르크 질량 비율 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ 과 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 네 개의 경량 및 여섯 개의 고형량 쿼르크를 가진 시스템은 복합 힉스 모델에서 새로운 강한 영역의 타당한 후보가 될 수 있는가?
• RQ5 시스템적 오차를 완전히 제어하지 못하는 상황에서 IR에서의 conformality에 대한 증거는 무엇인가?

주요 결과

• 네 개의 경량 및 여덟 개의 고형량 쿼르크를 가진 질량 분리 모델은 $ M_{\pi}/M_{\rho} $ 비율이 $ m_{\ell}/m_{h} $ 를 통해 일정하게 유지됨으로써 초과스케일 성질을 보이며, 이는 IR에서 conformal 역학이 존재함을 시사한다.
• 이소스피너 스칼라 상태($ 0^{++} $)는 경량이며 양성자(파이온)와 디제너레이션되어 복합 힉스 또는 Dilaton 유사 상태와 일치한다.
• 네 경량-여섯 고형량 시스템에 대한 초보적 결과는 여러 고형량 쿼르크 질량에서 $ M_{\pi}/M_{\rho} $ 비율에 초과스케일 성질의 징후가 나타남을 보여준다.
• 시스템은 경량-고형량 쿼르크 질량 비율 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ 에 명확한 의존성을 보이며, 물리적 관측량은 오직 이 비율에 따라 스케일링된다.
• 시스템은 향후 연구를 위한 타당한 매개변수 범위를 식별하였으며, 시스템적 오차는 여전히 제어 가능하고 통계적 오차는 크지만 관리 가능하다.
• 도메인 월 페르미온의 사용은 더 깔끔한 케이랄 대칭 실현을 가능하게 하여, 향후 $ S $-파라미터 또는 힉스 포텐셜과 같은 현상학적으로 중요한 양의 계산을 단순화한다.