[논문 리뷰] Towards a fundamental safe theory of composite Higgs and Dark Matter

Giacomo Cacciapaglia, T. Ma외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 근본적인 페르미온 전입자 이론에서 유도되는 고에너지 근사에서 안정된 복합 힉스 모형과 어두운 물질(DM)을 포함하는 UV 완전하고 점진적으로 안정된 모형을 제안한다. 이 모형은 고에너지 고정점에서 저에너지 고정점으로 흐르며, 워킹 테크니컬러 동역학을 가능하게 한다. 표준모형의 모든 페르미온에 대해 부분 복합성(partial compositeness)을 실현하고, 260 GeV 또는 1.5–2 TeV에서 검증 가능한 다음 세대 직접 탐지 실험에 적합한 타당한 어두운 물질 후보를 규명한다.

ABSTRACT

We present a novel paradigm that allows to define a composite theory at the electroweak scale that is well defined all the way up to any energy by means of safety in the UV. The theory flows from a complete UV fixed point to an IR fixed point for the strong dynamics (which gives the desired walking) before generating a mass gap at the TeV scale. We discuss two models featuring a composite Higgs, Dark Matter and partial compositeness for all SM fermions. The UV theories can also be embedded in a Pati-Salam partial unification, thus removing the instability generated by the $\mbox{U}(1)$ running. Finally, we find a Dark Matter candidate still allowed at masses of $260$ GeV, or $1.5 \sim 2$ TeV, where the latter mass range will be covered by next generation direct detection experiments.

연구 동기 및 목표

• 모든 에너지 스케일에서 예측 가능한 복합 힉스와 어두운 물질의 근본적이고 UV 완전한 이론을 구축하기.
• 초기 조건을 도입하지 않고 부분 복합성을 통해 모든 표준모형 페르미온의 질량을 생성하면서 계층 문제를 해결하기.
• 많은 수의 무거운 페르미온 전입자를 통해 고에너지 고정점을 유도함으로써 이론이 점진적으로 안정되도록 보장하기.
• U(1) 상수의 변화를 방지하고 게이지 무질서성을 피하기 위해 파티-살람 유사 부분 통합을 통해 모형을 통합하기.
• 우주 배경 밀도와 직접 탐지 제약 조건을 만족하는 안정적이고 약하게 상호작용하는 어두운 물질 후보를 규명하기.

제안 방법

• 강한 결합 게이지-유클라 이론에 페르미온 전입자를 도입한 대규모 N_f 재정렬 기법을 사용하여 고에너지 고정점을 식별한다.
• 많은 수의 무거운 전입자 필드를 도입하여 고에너지 고정점을 강제로 설정함으로써 이론이 모든 스케일에서 잘 정의됨을 보장한다.
• 글로벌 대칭의 자발적 위반을 통해 복합 힉스를 구성하며, 힉스는 나무볼트-골드스톤 보손으로 나타난다.
• 전체 표준모형 페르미온에 대해 부분 복합성을 실현하기 위해 글로벌 SU(4)_L × SU(4)_R 대칭을 변환하는 스푸리온 필드를 도입한다.
• 어두운 물질 후보를 안정화하기 위해 어두운 물질 대칭성(P_B)을 도입하고, 상호작용은 토프라인과 힉스 결합을 통해 매개된다.
• FeynRules와 micrOMEGAs를 사용하여 어두운 물질의 배경 밀도와 스핀-독립 산란 횡단면을 계산하고 현상학적 매칭을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 힉스 모형은 페르미온 전입자를 포함한 근본적이고 점진적으로 안정된 이론을 통해 UV 완전화될 수 있는가?
• RQ2 초기 스칼라를 도입하지 않고도 모든 표준모형 페르미온에 대해 부분 복합성을 일관적으로 실현할 수 있는가, 그리고 과도한 미세조정이 필요하지 않은가?
• RQ3 고에너지 고정점은 이론의 안정성과 힉스 부문에서의 워킹 다이내믹스를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 동일한 기초 다이내믹스로부터 자연스럽게 어두운 물질 후보가 도출될 수 있는가, 질량과 결합 상수가 천체물리학적 및 직접 탐지 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 파티-살람 유사 통합 기반의 모형 통합은 게이지 커플링 상수의 변화와 UV 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이론은 고에너지 고정점에서 저에너지 고정점으로 흐르며, 강한 동역학에서의 워킹 행동을 가능하게 하여 힉스 질량을 안정화하고 부분 복합성을 지원한다.
• 260 GeV에서 타당한 어두운 물질 후보를 규명하였고, 추가로 1.5–2 TeV 범위의 다른 허용 영역이 존재하며, 다음 세대 직접 탐지 실험에서 접근 가능하다.
• 많은 수의 전입자를 통해 모든 표준모형 페르미온에 대해 부분 복합성을 실현하였고, 토프라인 질량은 강한 동역학에 의해 생성된다.
• 어두운 물질 후보는 이산 어두운 대칭성에 의해 안정화되며, 토프라인 세그먼트와 결합할 경우 관측된 값과 일치하는 어두운 물질 배경 밀도를 제공한다.
• 스칼라 포텐셜은 부분 복합성 라그랑지안의 루프 보정을 통해 생성되며, 현상학적 분석을 위해 full matching을 micrOMEGAs에 적용하였다.
• 파티-살람 유사 부분 통합을 통해 U(1) 상수의 불안정성 문제를 해결하였고, UV 일관성을 향상시켰다.