[논문 리뷰] 125 GeV Higgs Boson and TeV Scale Colored Fermions in Gauge-Higgs Unification

Nobuhito Maru, Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 10- 및 15-플레트 표현에서 반기형 경계 조건을 가진 색이 있는 5차원 군집 페르미온을 포함하는 5차원 $SU(3)\times U(1)'$ 게이지-헤이그스 통합 모형을 제안한다. 이 모형은 테르라볼트 스케일의 단순화에서 125 GeV 허그스 보손 질량을 실현한다. 바깥 페르미온 질량을 조정하고 게이지-헤이그스 조건 하에서 한계 루프 RGE를 활용함으로써, 모형은 정확한 허그스 질량을 달성하면서도, 칼루자-클라인(KK) 모드가 허그스-이글루온 결합에 대해 파괴적 기여를 하여 허그스 생성 단면적을 감소시킨다. LHC 데이터는 5–10%의 글루온 융합 생성 감소를 고려할 때, 가장 가벼운 KK 페르미온 질량이 2–3 테르바르트 범위에 있음을 제약한다.

ABSTRACT

In the context of a simple gauge-Higgs unification scenario based on the gauge group SU(3) times U(1)' in a 5-dimensional flat spacetime, we investigate a possibility to realize the Higgs boson mass of 125 GeV with a compactification scale at the TeV. With the introduction of colored bulk fermions in a certain representation under the gauge group with a half-periodic boundary condition, we analyze the one-loop RGE of the Higgs quartic coupling with the gauge-Higgs condition and successfully obtain 125 GeV Higgs boson mass by adjusting a bulk mass for the fermions with a fixed compactification scale. The Kaluza-Klein modes of the colored fermions contribute to the Higgs-to-digluon effective coupling through the one-loop corrections. Since the contribution is destructive to the Standard Model one and reduces the Higgs boson production cross section, the recent LHC result gives a lower bound on the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion. We find the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion in the range of 2-3 TeV for 10%-5% reductions of the Higgs boson production cross section through the gluon fusion channel. Such Kaluza-Klein mode fermions can be discovered at the LHC run II with sqrt{s}=13-14 TeV, and LHC phenomenology for the Kaluza-Klein fermions is briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 스케일링이 없는 초대칭 없이 게이지-헤이그스 통합(GHU) 프레임워크에서 125 GeV 허그스 보손 질량을 실현하기 위해.
• 색이 있는 칼루자-클라인(KK) 페르미온이 글루온 융합 통한 허그스 생성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 허그스 신호 강도 데이터를 이용해 가장 가벼운 KK 모드 페르미온 질량을 제약하기 위해.
• LHC 런 II의 맥락에서 다수의 질량과 전하를 가진 이색 KK 페르미온의 현상학을 탐색하기 위해.
• 허그스 질량과 LHC 제약 조건을 모두 만족하는 $SU(3)\times U(1)'$ GHU 모형의 타당한 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 평탄한 시공간에서 $S^1/Z_2$ 오르비폭화를 통한 5차원 $SU(3)\times U(1)'$ 게이지 이론을 사용한다.
• 짝성의 붕괴와 질량 고유상태의 생성을 위해 $SU(3)$의 10- 및 15-플레트 표현에서 반기형 경계 조건을 가진 바깥 페르미온을 도입한다.
• 게이지-헤이그스 조건 하에서 허그스 4차 상호작용 계수의 한계 루프 양자역학적 군집 방정식(RGE)을 사용하여 허그스 질량을 계산한다.
• KK 모드의 한계 루프 기여를 허그스-이글루온 및 허그스-이포톤 효과적 결합에 대해 계산한다.
• 양자 보정의 유한성과 위기 문제 해결과의 일관성을 확보하기 위해 게이지-헤이그스 조건을 적용한다.
• 글루온 융합에서 수정된 허그스 생성 단면적을 LHC 데이터와 비교하여 가장 가벼운 KK 페르미온 질량의 하한을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 색이 있는 바깥 페르미온과 테르바르트 스케일의 단순화를 가진 5차원 $SU(3)\times U(1)'$ GHU 모형에서 125 GeV 허그스 보손 질량를 실현할 수 있는가?
• RQ2 색이 있는 바깥 페르미온의 칼루자-클라인(KK) 모드는 허그스-이글루온 결합과 허그스 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 글루온 융합 통한 허그스 생성 단면적의 5–10% 감소를 고려할 때, 가장 가벼운 KK 페르미온 질량의 하한은 무엇인가?
• RQ4 KK 페르미온의 전하와 질량 혼합은 그들의 붕괴 패턴과 LHC에서의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 캐스케이드 붕괴와 최종 상태 측면에서, 10- 및 15-플레트 모형에서의 KK 페르미온의 현상학적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 고정된 테르바르트 스케일의 단순화에서 10- 및 15-플레트 색 페르미온의 바깥 질량을 조정함으로써, $SU(3)\times U(1)'$ GHU 모형에서 125 GeV 허그스 보손 질량이 성공적으로 실현된다.
• 색 페르미온의 KK 모드는 허그스-이글루온 결합에 대해 파괴적 기여를 하여 글루온 융합 채널에서의 허그스 생성 단면적을 감소시킨다.
• 허그스 생성 단면적이 5–10% 감소하는 조건에서, 가장 가벼운 KK 모드 페르미온 질량은 2–3 테르바르트 범위에 제약된다.
• 가장 가벼운 KK 페르미온의 $U(1)'$ 전하는 $-1/3$ 또는 $2/3$이며, 브레인 유도 질량 혼합을 통해 표준모형 쿼크로 붕괴할 수 있다.
• 더 무거운 KK 페르미온에서 더 가벼운 KK 페르미온으로 향하는 캐스케이드 붕괴 체인이 예측되며, 마지막으로 가장 가벼운 상태가 표준모형 쿼크, W/Z 보손 또는 허그스로 붕괴된다.
• 10- 및 15-플레트 모형의 KK 페르미온은 $\sqrt{s} = 13-14$ 테르바르트에서 LHC 런 II에서 발견 가능하며, 현상학적으로 제4의 쿼크와 유사하지만 더 풍부한 질량과 전하 배열을 가진다.