[논문 리뷰] Old Wine in a New Bottle: Technidilaton as the 125 GeV Higgs -- Dedicated to the late Professor Yoichiro Nambu

Koichi Yamawaki|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 발견된 125 GeV의 힉스 보손이 스케일 대칭과 카이랄 대칭의 자발적 비대칭을 갖는 워킹 테크놀로지 이론에서 유래한 복합 입자인 '테크니다일라톤'(composite pseudo-dilaton)임을 제안한다. 표준모형 힉스 라그랑지안이 스케일 불변의 비선형 시그마 모델과 동치이며, 게이지 불변의 은폐된 국소 대칭(HLS) 모델과도 등가임을 보여주며, 기하학적 스케일 대칭 위반과 PCDC를 통해 테크니다일라톤 질량이 유도되며, 이는 자연스럽게 가벼운 힉스를 만들어내고, SM보다 약한 결합을 갖는다. 이는 $N_C=4$, $N_F=8$일 때 LHC 데이터와 일치한다. 반-베네시아노 근사에서는 더욱 가벼운, 약한 결합을 갖는 테크니다일라톤이 존재함을 지지한다.

ABSTRACT

We show that the Standard Model (SM) Higgs Lagrangian is identical to the nonlinear realization of both the scale and chiral symmetries ("scale-invariant nonlinear sigma model"), and is further gauge equivalent to the "scale-invariant Hidden Local Symmetry (HLS) model" having possible new vector bosons as the HLS gauge bosons with scale-invariant mass: SM Higgs is nothing but a (pseudo) dilaton. The effective theory of the walking technicolor has precisely the same type of the scale-invariant nonlinear sigma model, thus further having the scale-invariant HLS gauge bosons (technirho's, etc.). The technidilaton mass M_ϕcomes from the trace anomaly, which yields M_ϕ^2 F_ϕ^2 \simeq (2.5)^2 [(8/N_F)(4/N_C)] v^4 via PCDC, in the underlying walking SU(N_C) gauge theory with N_F massless flavors, where F_ϕis the decay constant and v=246 GeV. This implies F_ϕ\simeq 5 v for M_ϕ\simeq 125 GeV \simeq v/2 in the one-family walking technicolor model (N_F=8, N_C=4), in good agreement with the current LHC Higgs data. In the anti-Veneziano limit, N_C ightarrow \infty, with N_C α= fixed and N_F/N_C= fixed (\gg 1), we have a result: M_ϕ^2/v^2\sim M_ϕ^2/F_ϕ^2 \sim 1/(N_F N_C) ightarrow 0. Then the technidilaton is a naturally light composite Higgs out of the strongly coupled conformal dynamics, with its couplings even weaker than the SM Higgs.

연구 동기 및 목표

• 125 GeV의 힉스 보손이 자발적 스케일 대칭과 카이랄 대칭 비대칭을 갖는 워킹 테크놀로지 이론에서 복합 테크니다일라톤으로 해석될 수 있는지 탐구하는 것.
• 표준모형 힉스 라그랑지안이 스케일 불변의 비선형 시그마 모델과 동치이며, 스케일 불변의 게이지 보손을 갖는 은폐된 국소 대칭(HLS) 모델과도 등가임을 확립하는 것.
• 강한 상호작용의 규범 대칭 동역학에서 스케일 대칭 위반과 PCDC 메커니즘을 통해 테크니다일라톤 질량을 유도하는 것.
• 반-베네시아노 근사에서 테크니다일라톤이 자연스럽게 가벼우며, 약한 결합을 갖는다는 것을 보여주는 것. 이는 표준모형 힉스보다도 더 약한 결합을 갖는다.
• 이론적 예측을 LHC 데이터와 라티스 시뮬레이션과 연결하여, 특히 워킹 영역에서의 일致성을 확보하는 것.

제안 방법

• 표준모형 힉스를 스케일 대칭과 카이랄 대칭의 비선형 실현으로 기술하여, 스케일 불변의 비선형 시그마 모델과 동치임을 수립한다.
• 스케일 불변의 게이지 보손(예: 테크니라)을 갖는 은폐된 국소 대칭(HLS) 모델을 도입하여 동일한 물리적 동역학을 게이지 변형 실현으로 기술한다.
• PCDC(Partial Conserved Dilatation Current) 관계를 적용하여 테크니다일라톤 질량을 에너지-모멘텀 텐서의 추적 비틀림(trace anomaly)와 연결한다.
• 기본적인 $SU(N_C)$ 워킹 테크놀로지 이론에서 질량 공식 $M_{\text{phys}}^2 F_{\text{phys}}^2 \simeq \left[\frac{8}{N_F}\frac{4}{N_C}\right] \cdot (2.5)^2 \cdot v^4$을 유도한다.
• 반-베네시아노 근사($N_C \to \infty$, $N_C\alpha = \text{fixed}$, $N_F/N_C = \text{fixed} \gg 1$)를 분석하여 $M_{\phi}^2 / v^2 \sim 1/(N_F N_C) \to 0$임을 보이며, 자연스럽게 가벼운 테크니다일라톤임을 시사한다.
• 워킹 영역에서의 라티스 QCD 시뮬레이션과 예측을 비교하여, 가벼운 플레바어 싱글렛 스칼라 상태가 존재함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 125 GeV의 힉스 보손은 자발적 스케일 대칭과 카이랄 대칭 비대칭을 갖는 워킹 테크놀로지 모델에서 테크니다일라톤으로 식별될 수 있는가?
• RQ2 강한 상호작용 게이지 이론에서 테크니다일라톤 질량은 추적 비틀림과 PCDC 메커니즘을 통해 어떻게 기인하는가?
• RQ3 한 가족의 워킹 테크놀로지 모델에서 테크니다일라톤 붕괴 상수 $F_\phi$와 힉스 진공 기대값 $v$ 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 반-베네시아노 근사는 테크니다일라톤 질량과 결합 상수에 어떤 영향을 미치며, 자연스럽게 가벼운 복합 힉스를 유도하는가?
• RQ5 테크니다일라톤 시나리오는 워킹 영역에서 LHC 데이터와 라티스 시뮬레이션과 일치하는가?

주요 결과

• 125 GeV의 힉스 보손은 자발적 스케일 대칭과 카이랄 대칭 비대칭을 갖는 워킹 테크놀로지 이론에서 기인한 복합 입자인 '테크니다일라톤'(composite pseudo-dilaton)으로 식별된다.
• 표준모형 힉스 라그랑지안은 스케일 불변의 비선형 시그마 모델과 동치이며, 스케일 불변의 게이지 보손을 갖는 은폐된 국소 대칭(HLS) 모델과도 등가이다.
• 한 가족의 워킹 테크놀로지 모델에서 $N_C=4$, $N_F=8$일 때, 테크니다일라톤 붕괴 상수는 $F_\phi \simeq 5v$이며, LHC 힉스 데이터와 일치한다.
• 테크니다일라톤 질량은 추적 비틀림을 통해 PCDC 관계를 통해 기인하며, $M_\phi^2 F_\phi^2 \simeq \left[\frac{8}{N_F}\frac{4}{N_C}\right] \cdot (2.5)^2 \cdot v^4$의 공식을 통해 유도되며, 이는 $M_\phi \simeq 125\,\text{GeV}$를 재현한다.
• 반-베네시아노 근사에서 $M_\phi^2 / v^2 \sim 1/(N_F N_C) \to 0$이므로, 자연스럽게 가벼운 복합 힉스가 존재함을 시사한다.
• 워킹 영역에서의 라티스 시뮬레이션은 테크니다일라톤과 일치하는 가벼운 플레바어 싱글렛 스칼라 상태 존재를 확인한다.