[논문 리뷰] Phenomenology of heavy fermion and vector resonances in composite Higgs models

Natascia Vignaroli|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 무거운 페르미온과 벡터 진동자와 함께 복합 힉스 모형(CHMs)을 조사하며, 풍미 제약 조건과 LHC에서의 발견 가능성을 중점적으로 다룬다. 이중 사이트 효과적 라그랑지안을 사용하여, $b\to s\gamma$ 붕괴에서 유도된 풍미에 독립적인 중량 페르미온 질량에 대한 상한을 규명하고, $G^*$와 무거운 페르미온이 $G^* \to t' \bar{b}$ 및 $t' \to Wb$ 붕괴를 통해 LHC에서 초기 단계에서 발견될 수 있음을 제안한다. 또한 진동질량 재구성으로부터 토프 쿼크의 복합성 정도를 추출할 수 있다.

ABSTRACT

In this project we study the phenomenology of models where the Higgs is a bound state of a strongly interacting dynamics at the TeV scale and we assess the LHC potential to discover new heavy colored states. In the first part of the thesis we analyze the bounds on the spectrum of Composite Higgs Models (CHM) that come from flavor observables. In the second part we propose a novel strategy to discover a heavy gluon ($G^*$) and heavy fermions at the LHC. We do so by means of simple two-site effective Lagrangians, which could also be used in further phenomenological studies on CHM. From the analysis of the bounds on the CHM spectrum, we derive an important constraint on the masses of the heavy fermions which does not depend on the flavor structure of the sector beyond the SM. This bound is obtained from the infrared contribution to $b o sγ$ induced by the flavor-conserving effective vertex $Wt_Rb_R$. We find that the presence of a custodial symmetry can play a role in protecting this effective coupling. Studying the heavy colored vectors phenomenology, we find that heavy composite fermions have a great impact on the phenomenology of heavy composite gluon at the LHC. If the composite gluon is heavier than the composite fermions, as flavor observables seem to suggest, the search in the channels where $G^*$ decays into one heavy fermion plus its Standard Model partner is very promising, with the possibility for both the $G^*$ and heavy fermions to be discovered at the early stage of the LHC. These channels offer also the possibility to extract important information on model's parameters, such as the top degree of compositeness.

연구 동기 및 목표

• 복합 힉스 모형(CHMs)에서 새로운 무거운 색깔을 띤 상태, 특히 무거운 페르미온과 무거운 글루온($G^*$)을 LHC에서 발견할 잠재력을 평가하기 위해.
• 적외선 기여를 중심으로 $Wt_Rb_R$ 효과적 점성자에 대한 $b\to s\gamma$ 붕괴를 통해 무거운 페르미온 질량에 대한 풍미에 독립적인 상한을 도출하기 위해.
• 무거운 글루온($G^*$)과 무거운 페르미온을 $G^* \to t' \bar{b}$ 및 $t' \to Wb$ 붕괴 체인을 기반으로 한 새로운 LHC 탐색 전략을 제안하기 위해.
• Wtb 최종 상태에서의 진동질량 재구성으로부터 토프 쿼크의 복합성 정도를 추출할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• CHMs에서 $G^*$, 무거운 페르미온, 힉스 세그먼트의 상호작용을 모델링하기 위해 이중 사이트 효과적 라그랑지안(TS5 및 TS10)을 구성하기 위해.
• 작은 혼합 매개변수 $x \sim Y_*v/\sqrt{2}m_*$를 기반으로 한 페르티튜브 대각화를 사용하여, $b\to s\gamma$의 적외선 및 적외선 기여를 통해 효과적 $Wt_Rb_R$ 커플링을 계산하기 위해.
• $G^*$ 생성 단면적과 분해비율을 평가하여, $G^* \to t' \bar{b}$ 및 $t' \to Wb$ 붕괴 채널에 집중하기 위해.
• Wtb 최종 상태에 대한 신호 및 배경 시뮬레이션을 수행하고, 수용도 절단 조건과 진동질량 재구성을 적용하여 $G^*$ 및 $t'$ 공명을 분리하기 위해.
• Wtb 채널을 사용하여 $t'$ 및 $G^*$ 질량을 재구성하고, 이로써 토프 쿼크의 복합성 정도 매개변수를 추출하기 위해.
• CHM 매개변수 공간에서의 발견 가능성을 분석하여, 초기 LHC에서의 발견이 가능한 영역을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 힉스 모형의 스펙트럼에 대한 풍미 제약 조건은 무엇이며, 특히 $b\to s\gamma$에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 적외선 역학에 의해 유도된 풍미 보존 효과적 커플링 $Wt_Rb_R$는 풍미 구조에 관계없이 무거운 페르미온 질량에 대한 일반적인 상한을 부과할 수 있는가?
• RQ3 커스토디언 대칭성은 CHMs에서 $Wt_Rb_R$ 커플링을 어떻게 보호하는가?
• RQ4 무거운 글루온($G^*$)과 관련된 무거운 페르미온을 LHC에서 발견하기 위한 최적의 탐색 전략은 무엇인가?
• RQ5 Wtb 최종 상태에서 $G^*$ 및 $t'$ 공명 재구성을 통해 토프 쿼크의 복합성 정도를 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 적외선 기여를 통한 $b\to s\gamma$에서 유도된 풍미에 독립적인 상한은 무거운 페르미온 질량에 대해 $m_{t_R} \lesssim 1.5\,\text{TeV}$로 스케일링되며, 커스토디언 대칭성이 없을 경우에 해당한다.
• $Wt_Rb_R$ 효과적 커플링은 $P_C$ 대칭성에 의해 보호되며, 이는 $t_R$-이원선 점성자에서 큰 기여를 억제한다.
• $G^* \to t' \bar{b}$ 붕괴 채널은 풍미 제약 조건에 따라 $m_{G^*} > m_{t'}$일 경우, 초기 LHC 발견에 매우 유망한 것으로 나타났다.
• Wtb 최종 상태는 $G^*$ 및 $t'$ 공명의 성공적인 재구성을 가능하게 하여, 토프 쿼크의 복합성 정도 매개변수 추출을 가능하게 한다.
• $G^* \to \psi\chi$ 채널은 절단 후 신호 대 배경 비율이 높아, 보완적인 발견 채널로 기능한다.
• 분석 결과, $m_{G^*} > m_{t'}$일 경우, 초기 LHC에서 $G^*$와 무거운 페르미온을 모두 발견할 수 있으며, 발견 가능 범위는 $m_{G^*} \sim 2.5\,\text{TeV}$ 및 $m_{t'} \sim 1.5\,\text{TeV}$까지 확장된다.