[논문 리뷰] Sigma-assisted natural composite Higgs

Diogo Buarque Franzosi, Giacomo Cacciapaglia외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 43인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 복합 힉스 보손과 혼성하는 경량 스칼라 리조낸스 ($\sigma$)가 저스케일 복합 힉스 모형에서 기존의 계층 문제 경계를 완화시켜, 복합성 스케일 $f \gtrsim 400$ GeV와 오차각 $s_\theta \lesssim 0.6$를 허용함으로써 일반적으로는 $s_\theta \lesssim 0.2$로 제한되는 것과는 대조적으로 가능하게 한다. 이 메커니즘은 응집상태에 가까운 상에서 걷는/동적 워프드 모형에서 자연스럽게 발생하며, $\sigma$ 상태는 LHC에서 $ZZ$ 및 $t\bar{t}$ 붕괴 채널을 통해 검증 가능하다.

ABSTRACT

We show that the presence of a lightish scalar resonance, $σ$, that mixes with the composite Goldstone-Higgs boson can relax the typical bounds found in this class of models. This mechanism, inbred in models with a walking dynamics above the condensation scale, allows for a low compositeness scale $f \gtrsim 400$ GeV, corresponding to a misalignment angle $\sinθ\lesssim 0.6$, contrary to the common lore of a smaller angle. According to recent lattice results, the light $σ$ emerges thanks to a near-conformal phase above the condensation scale, consistent to the requirements from flavour physics. We study this effect in a general way, showing that it appears in all cosets emerging from an underlying gauge-fermion dynamics, in the presence of top partial compositeness. The scenario is testable both on the Lattice and experimentally, as it requires the presence of a second broad Higgs-like resonance, below 1 TeV, that can be revealed at the LHC in the $ZZ$ and $t\bar{t}$ channels.

연구 동기 및 목표

• 복합 골드스톤-힉스 모형에서 '작은 계층 문제'를 다루기 위해, 일반적으로 전자약력 스케일 $v$보다 훨씬 큰 복합성 스케일 $f$가 오블리크 $S$ 및 $T$ 매개변수로 인해 요구되는 이유를 설명하기 위함.
• 힉스와 혼성하는 경량 스칼라 리조낸스 ($\sigma$)가 전자약력 정밀도 관측치(EWPOs)에 대한 실험적 제약과의 갈등을 완화시킬 수 있는지 조사하기 위함.
• 걷는 또는 응집상태에 가까운 역학을 가진 모형에서 이러한 $\sigma$ 상태가 복합성 스케일 이상의 단계에서 자연스럽게 발생하며, 레이티스 QCD 결과와 일치함을 보여주기 위함.
• 기존의 $s_\theta \lesssim 0.2$가 필요하다는 통념에 도전하여, $f \gtrsim 400$ GeV 및 $s_\theta \lesssim 0.6$ 조건에서도 모형이 유효함을 보여주기 위함.
• $ZZ$ 및 $t\bar{t}$ 붕괴 모드를 통한 $\sigma$ 상태의 탐지 가능 채널을 규명하여 실험적 검증을 가능하게 하기 위함.

제안 방법

• 저자들은 강한 게이지- Fermion 역학에서 기인하는 코셋 공간에서 복합 힉스 보손(pNGB)과 경량 스칼라 리조낸스 ($\sigma$)가 혼성하는 일반적인 효과적 라그랑지안을 구성한다.
• 톱 쿼크의 부분 복합성과 진공 오차각을 매개변수화하기 위해 $\theta$를 포함하며, $v = f s_\theta$로 정의된다.
• 벡터 및 아키셜-벡터 리조낸스를 포함하며, SM 게이지 보손과 이들의 혼성은 매개변수 $r$을 통해 제어되며, 이는 오블리크 $S$ 및 $T$ 매개변수를 결정한다.
• 오블리크 매개변수 $S$ 및 $T$는 표준 $\Pi_{WW}$, $\Pi_{33}$, $\Pi_{3B}$, $\Pi_{BB}$ 자기에너지들을 사용하여 $W^\pm$, $Z$, 그리고 광자 필드의 혼성 질량 행렬에서 계산된다.
• $\sigma$ 상태는 기저 역학에 의해 결정되는 질량과 결합 상수를 가지며, 조정되지 않은 스칼라 리조낸스로 도입되며, 스칼라 부문에서 혼성 각도를 통해 힉스와의 혼성 효과를 다룬다.
• 레이티스 QCD 및 호로그래픽 모형을 사용하여, 특히 걷는 영역에서 이러한 경량 $\sigma$ 상태가 응집상태 이론에서 존재함을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 힉스 모형에서 힉스 보손과 혼성하는 경량 스칼라 리조낸스 ($\sigma$)가 복합성 스케일 $f$에 대한 일반적인 하한을 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 특정 $\sigma$ 리조낸스 존재 시, 전자약력 정밀도 관측치(EWPOs)와 일치하는 조건에서 더 큰 오차각 $s_\theta \lesssim 0.6$를 허용할 수 있는가?
• RQ3 최근 레이티스 결과에 따르면, 응집상태 또는 걷는 단계에서 복합성 스케일 이상의 단계에서 $\sigma$ 상태가 자연스럽게 생성되는가?
• RQ4 LHC에서 $ZZ$ 및 $t\bar{t}$ 붕괴 채널을 통해 $\sigma$ 리조낸스를 탐지할 수 있으며, 이를 위한 신호 강도는 얼마인가?
• RQ5 낮은 복합성 스케일 조건에서 $\sigma$-힉스 혼성 효과를 고려할 경우, $S$ 및 $T$ 매개변수 제약은 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 힉스 보손과 혼성하는 경량 $\sigma$ 리조낸스의 존재는 복합성 스케일을 $f \gtrsim 400$ GeV로 낮출 수 있으며, 일반적으로 $f \gtrsim 1.2$ TeV로 요구되는 기존의 경계를 크게 완화시킨다.
• 오차각은 $s_\theta \lesssim 0.6$까지 크게 할 수 있으며, 관측된 힉스 보손 질량 $m_h \approx 125$ GeV와도 일치하여, 기존의 $s_\theta \lesssim 0.2$ 경계에 도전한다.
• $\sigma$ 상태는 복합성 스케일 이상의 걷는 또는 응집상태에 가까운 단계를 가진 모형에서 자연스럽게 발생하며, 최근의 레이티스 QCD 결과에서 이러한 이론에서 경량 스칼라 리조낸스가 존재함을 보여주어 일치한다.
• $\sigma$-힉스 혼성 효과로 인해 $\widetilde{g} \gtrsim 2$ 조건에서 조차도 오블리크 $S$ 및 $T$ 매개변수가 실험적 경계 내에 유지되며, 일반적인 매개변수 값에서 $S$-$T$ 평면 상의 골짜기가 유지된다.
• $\sigma$ 리조낸스는 LHC에서 $ZZ$ 및 $t\bar{t}$ 붕괴 채널을 통해 탐색 가능하며, $m_\sigma \lesssim 1$ TeV 범위에서의 신호 강도는 검출 가능할 수 있다.
• 다양한 코셋 구조(예: $Sp(N)/Sp(N-2)\times U(1)$, $SO(N)/SO(N-2)\times U(1)$)에서 모형의 견고성이 확인되었으며, 동일한 $S$ 및 $T$ 매개변수 수정을 보이며, 이는 보편적 메커니즘임을 시사한다.