[논문 리뷰] Excited Gauge and Higgs Bosons in the Unified Composite Model

Hidezumi Terazawa, Masaki Yasuè|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 최근 ATLAS에서 약 2 TeV에서 관측된 이보손 공진이, 약 1 TeV의 복합 질량 스케일에서 예측되는 약한 보손(W*, Z*) 또는 힉스 보손(H*)의 고(excited) 상태, 또는 글루볼(gluon)의 복합 상태인 글루볼(gluon)으로 기인할 수 있다고 제안한다. 이는 통합된 하위쿼크 모형에서 예측되는 바이다. 모형은 하위쿼크 응집을 통해 약 125 GeV의 힉스 보손 질량을 설명하며, 질량 관계식 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w를 예측하여 W*와 Z*의 질량이 거의 일치함을 지지한다.

ABSTRACT

In the unified subquark model of all fundamental particles and forces, the mass of the Higgs boson in the standard model of electroweak interactions ($m_H$) is predicted to be about $2\sqrt{6}m_W/3$ (where $m_W$ is the mass of the charged weak boson, $W$), which agrees well with the experimental values of about 125 GeV recently found by the ATLAS and CMS Collaborations at the LHC. It seems to indicate that the Higgs boson is a composite of the iso-doublet spinor subquark-antisubquark pairs well described by the unified subquark model with either one of subquark masses vanishing or being very small compared to the other. In the unified composite model, the masses of excited weak gauge bosons, $W^\ast$ and $Z^\ast$, and Higgs bosons, $H^\ast$, as well as excited quarks and leptons are all predicted to be of the order of the composite mass scales, say 1 TeV, and to satisfy the relation of $m_Wm_{W^\ast} = m_Zm_{Z^\ast}\cosθ_w$ (where $θ_w$ is the weak mixing angle). It strongly suggests that the excess of di-boson resonance events recently found by the ATLAS Collaboration at about 2 TeV may be explained by the productions and decays of the first excited states of either one of the weak and Higgs bosons, and the glueballs.

연구 동기 및 목표

• 통합된 하위쿼크 모형에서 이so-더블렛 스핀어 하위쿼크-반하위쿼크 쌍의 복합 힉스 보손 상태를 통해 관측된 약 125 GeV의 힉스 보손 질량을 설명하는 것.
• 관측된 2 TeV 이보손 공진과 일치하는 복합 에너지 스케일 Λ ≈ 1 TeV에서 고 에너지 게이지 및 힉스 보손(W*, Z*, H*)의 존재를 예측하는 것.
• 게이지 불변성과 복합 조건에서 유도된 질량 관계식 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w를 수립하여 고 에너지 약한 보손이 약한 혼합 각도와 연결되며, 검증 가능한 서명을 제공하는 것.
• 글루볼과 색-볼(color-balls)이 LHC에서 글루온 융합을 통해 생성될 것으로 예상되므로, 이들이 이보손 공진에 기여할 수 있는지를 탐색하는 것.
• 최근 LHC 이상 현상, 특히 2 TeV 공진과 750 GeV 이포톤 초과 현상에 대비하여 기본 입자의 고 에너지 상태에 대한 이론적 기대를 갱신하는 것.

제안 방법

• 이소-더블렛 스핀어 하위쿼크(wakems)를 포함하는 나무-존아-라스키오(NJL) 유형의 복합 모형을 사용하여 W 및 H의 질량에 대한 합 규칙을 유도: m_W = [3(m_w1² + m_w2²)/2]^{1/2} 및 m_H = 2[(m_w1⁴ + m_w2⁴)/(m_w1² + m_w2²)]^{1/2}.
• m_w1 = 0 또는 m_w2 = 0 조건을 적용하여 m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV를 도출하며, 이는 관측된 약 125 GeV의 힉스 질량과 유사함.
• 복합 모형을 확장하여, 삼중성 원칙(principle of triplicity)에 기반해 동일한 복합 스케일 Λ ≈ 1 TeV에서 고 에너지 상태(W*, Z*, H*, 글루볼)를 예측함.
• 게이지 불변성과 복합 조건에서 유도된 질량 관계식 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w를 유도하며, 고 에너지 게이지 보손의 경우 g* = √(3/2)g임을 고려함.
• W* → Wγ, Z* → Zγ, H* → Hγ, WW, ZZ 및 글루볼 붕괴를 포함한 붕괴 채널을 분석하여 LHC에서의 공진 탐지에 핵심적인 역할을 함.
• LHC에서 고 에너지 글루볼 또는 색-볼의 주로 글루온 융합 생성 메커니즘을 고려하여, 복합 스케일 Λ ~ 1 TeV에서 다량의 생성이 가능함을 시사함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 약 125 GeV의 힉스 보손 질량은 통합 하위쿼크 모형에서 하위쿼크-반하위쿼크 쌍의 복합 힉스 상태로 설명될 수 있는가?
• RQ2 통합된 복합 모형에서 고 에너지 약한 보손(W*, Z*) 및 고 에너지 힉스 보손(H*)의 예측 질량과 붕괴 모드는 무엇인가?
• RQ3 복합 모형에서 질량 관계식 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w가 성립하는가? 그리고 이는 W*와 Z*의 질량이 거의 일치하는 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ4 최근 약 2 TeV에서 관측된 이보손 공진은 힉스 또는 약한 보손의 첫 번째 고 에너지 상태의 생성 및 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ5 글루온 융합을 통해 Λ ~ 1 TeV에서 생성될 것으로 예상되는 고 에너지 글루볼 또는 색-볼은 LHC에서 이보손 공진 생성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 하나의 하위쿼크 질량가 0일 경우, 힉스 질량은 m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV로 예측되며, 이는 관측된 약 125 GeV의 값과 매우 유사함.
• 모형은 약 1 TeV의 질량을 갖는 고 에너지 약한 보손 W*와 Z*를 예측하며, 질량 관계식 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w를 만족하여 m_W*/m_Z* ≈ 1이 0.3% 이내로 근접함.
• 고 에너지 힉스 보손 H*는 Hγ, WW, ZZ로 붕괴될 것으로 예측되며, 약 2 TeV에서 이보손 공진으로 나타날 수 있음.
• 고 에너지 글루볼 또는 색-볼은 LHC에서 복합 스케일 Λ ≈ 1 TeV에 도달할 경우 글루온 융합를 통해 다량으로 생성될 것으로 예측됨.
• ATLAS에서 관측된 2 TeV 이보손 초과는 힉스 또는 약한 보손의 첫 번째 고 에너지 상태와/또는 고 에너지 글루볼의 결과일 수 있음.
• 최근 ATLAS와 CMS에서 보고된 750 GeV 이포톤 초과 현상은 1 TeV 스케일에서 이보손 공진의 구조적 복잡성에 대한 추가적 증거로 해석됨.