[논문 리뷰] Low Scale Composite Higgs Model and 1.8 $\sim$ 2 TeV Diboson Excess

Ligong Bian, Da Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 ATLAS 및 CMS가 관측한 1.8–2 테바르 듀보존 과잉을 설명하기 위해, $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 대칭을 가진 저에너지 복합 힉스 모형을 제안한다. 이 모형은 벡터 레조넌스 $\rho$와 아кси얼 벡터 레조넌스 $a$를 포함하며, $\rho$는 Drell-Yan 과정을 통해 생성되어 $WW$, $WZ$, $ZZ$로 큰 분해비로 붕괴한다. 반면 $a$ 레조넌스는 $\rho$가 유도하는 $S$-파라미터와 전자약정밀측정(EWPT) 기여를 상쇄시켜, 임의의 페르미온 결합을 허용한다. 모형은 $\xi \sim (0.05, 0.2)$, $g_\rho \sim (1.5, 2.5)$일 때 듀보존 과잉을 잘 맞춘다. 특히 왼쪽 페르미온의 복합성 성분이 작거나 0이고, 토프가 중간에서 큰 복합성일 경우에 잘 맞는다.

ABSTRACT

We consider a simple solution to explain the recent diboson excess observed by ATALS and CMS Collaborations in models with custodial symmetry $SU(2)_L imes SU(2)_R ightarrow SU(2)_c$. The $SU(2)_L$ triplet vector boson $ρ$ with mass range of $1.8 \sim 2$ TeV would be produced through the Drell-Yan process with sizable diboson decay branching to account for the excess. The other $SU(2)_L imes SU(2)_R$ bidoublet axial vector boson $a$ would cancel all deviations of electroweak obervables induced by $ρ$ even if the SM fermions mix with some heavy vector like (composite) fermions which couple to $ρ$ ("non-universally partially composite"), therefore allows arbitrary couplings between each SM fermion and $ρ$. We present our model in the "General Composite Higgs" framework with $SO(5) imes U(1)_X ightarrow SO(4) imes U(1)_X$ breaking at scale $f$ and demand the first Weinberg sum rule and positive gauge boson form factors as the theoretical constraints. We find that our model can fit the diboson excess very well if the left-handed SM light quarks, charged leptons and tops have zero, zero/moderately small and moderate/large composite components for reasonable values of $g_ρ$ and $f$. The correlation between tree level $S$ parameter and the $h ightarrow Z γ$ suggest a large $a$ contribution to $h ightarrow Z γ$ and it is indeed a $\mathcal{O}(1)$ effect in our parameter space which provides a strong hint for our scenario if this diboson excess is confirmed by the $13 \sim 14$ TeV LHC Run II.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 ATLAS 및 CMS 데이터에서 관측된 1.8–2 테바르 듀보존 공진 상태 과잉을 설명하기 위해.
• 듀보존 붕괴에 필요한 큰 $\rho$ 결합과 전자약정밀측정(EWPT) 간의 갈등, 특히 큰 $S$ 파라미터를 해결하기 위해.
• $\rho$ 보손이 혼합을 통해 표준모형(SM) 페르미온들에 대해 균일하게 결합하는 동안, 부분 복합성에 의해 EWPT를 손상시키지 않으면서도 임의의 결합 강도를 허용하는 모형을 구축하기 위해.
• 첫 번째 Weissberg 합 규칙과 양성자형 인자들이 양성화되도록 하여 이론적 일관성을 확보하고, 스케일 $f$에서 $SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 대칭의 비틀림을 강제하기 위해.

제안 방법

• 스케일 $f$에서 $SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 비틀림을 가진 '일반 복합 힉스' 프레임워크를 채택하고, 스핀-1 레조넌스에 대해 벡터 메손 우세성을 포함한다.
• 삼중체 벡터 보손 $\rho$와 비드블렛 아ksi얼 벡터 보손 $a$를 도입하며, $a$는 전자약대칭 깨짐(EWSB) 이전에 SM 페르미온과는 상호작용하지 않고, $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 아래에서 $(2,2)$ 표현을 한다.
• 첫 번째 Weissberg 합 규칙을 구현하고, 음이 아닌 게이지 보손 형상 인자들을 요구하여 모형을 제약하고 Witten 정리와의 일관성을 확보한다.
• $\Gamma(\rho \to WW, WZ, Zh, f\bar{f}) \propto g^2_{\rho\text{ current}} / m_\rho^2$ 및 $\Gamma \propto g^2_{\rho f\bar{f}}$를 사용하여 $\rho$ 붕괴 너비를 계산한다.
• 질량 행렬을 대각화하여 $h \to Z\gamma$의 효과적 결합을 유도하며, $a$ 보손이 $\mathcal{O}(1)$ 수준의 기여를 함으로써 중요한 검증 가능한 신호를 제공한다.
• 파워 카운팅 추정을 통해 $\rho$-$a$ 혼합이 $g/g_\rho$에 의해 억제됨을 보여주어 $\rho$ 결합이 주로 유지됨을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 복합 힉스 모형에서 $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 대칭을 가진 모형이 전자약정밀측정을 위반하지 않고 1.8–2 테바르 듀보존 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\rho$ 보손이 듀보존에 큰 결합을 가져야 할 때 $S$ 파라미터와 다른 EWPT 제약 조건은 어떻게 상쇄할 수 있는가?
• RQ3 아кси얼 벡터 레조넌스 $a$는 $S$-파라미터와 페르미온 결합 유도 기여를 어떻게 상쇄하는가?
• RQ4 $a$-매개 상쇄가 가능할 경우, $\rho$와 SM 페르미온 간의 임의의 결합 강도를 허용하는 일관된 모형에서 가능할 수 있는가?
• RQ5 $a$ 보손이 $h \to Z\gamma$ 붕괴 비율에 기여하는 예측값은 얼마이며, 이를 주요 신호로 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 질량이 $1.8\sim2$ 테바르인 $\rho$ 레조넌스를 통해 Drell-Yan 과정을 통해 생성되고, $WW$, $WZ$, $ZZ$로의 분해비가 각각 6–10 페르비안 페르미온 단위로 붕괴되어 1.8–2 테바르 듀보존 과잉을 잘 설명한다.
• 아кси얼 벡터 보손 $a$는 $\rho$에 의해 유도되는 큰 양의 $S$-파라미터를 상쇄시켜, $\rho$-페르미온 결합이 EWPT를 위반하지 않도록 하며, 임의의 결합 강도를 허용한다.
• $\xi \sim (0.05, 0.2)$ 및 $g_\rho \sim (1.5, 2.5)$일 때, 왼쪽 SM 경량 쿼크와 양성자 레프톤의 복합성 성분이 0 또는 작고, 토프의 복합성 성분이 중간에서 큰 경우에 듀보존 과잉을 잘 맞춘다.
• $a$ 보손은 $h \to Z\gamma$ 붕괴 진폭에 $\mathcal{O}(1)$ 수준의 기여를 하며, 듀보존 과잉이 런 II에서 확인될 경우 강력하고 검증 가능한 신호를 제공한다.
• 모형은 첫 번째 Weissberg 합 규칙을 만족하고 음이 아닌 게이지 형상 인자를 요구하여 이론적 일관성과 안정성을 확보한다.
• 페르미온 결합은 주로 $t_L$의 부분 복합성에 의해 지배되며, $g_{\rho^{+}t_L b_L} \sim -g^2/g_\rho + g_\rho \epsilon_{t_L}^2$로 표현되어, 큰 $t\bar{t}\rho$ 결합을 유도하면서도 큰 EWPT 영향을 유발하지 않는다.