[論文レビュー] Beyond the Standard Model: Charting Fundamental Interactions via Lattice Simulations

Claudio Pica|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、標準模型を超えた強い結合ゲージ理論の格子シミュレーションを提示し、ヒッグス粒子が新たな強い相互作用から生じる擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストン粒子（pNGB）として現れる複合ヒッグスモデルに焦点を当てる。非摂動的格子手法を用いて、基礎表現フェルミオンを伴うSU(2)およびSU(3)ゲージ理論の相図をマッピングした結果、軽いスカラーレイゾンスおよびpNGBヒッグス状態は実現可能であるが、大きな体積と慎重なクリティカル・連続的外挿が必要であり、結果はQCDと比べて大幅に重く、小さなアライメント角では現在のLHCの探査範囲を超えている可能性がある。

ABSTRACT

After the discovery of the Higgs boson, the primary objective of the Large Hadron Collider (LHC) experiments is to identify new physics beyond the Standard Model (SM). One of the most intriguing possibilities would be the discovery of non-perturbative phenomena in electroweak physics. In fact both ATLAS and CMS are providing crucial precision tests of the Higgs sector. Most strikingly, there is no conclusive evidence yet on whether the Higgs boson is elementary or composite. Lattice simulations can play a key role in advancing our theoretical understanding of strongly coupled gauge theories relevant for extensions of the SM and the LHC program. In this talk I will review the state of beyond the SM (BSM) lattice studies aimed to chart the phase diagram and to uncover the properties of strongly coupled gauge theories.

研究の動機と目的

• 標準模型における階層問題の解決策としての複合ヒッグスモデルの妥当性を調査すること。
• 標準模型を超えた新しい物理に関連する強い結合ゲージ理論の相図をマッピングすること。
• 擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストン粒子を伴うモデルにおける、軽い励起状態（スカラースペクトルおよびベクトルメソン）のスペクトルを特定すること。
• 非摂動的格子計算を用いて、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での複合ヒッグス状態の検出可能性を評価すること。
• 強い相互作用を示すBSM理論における、クリティカル・連続的・無限体積外挿の精度を向上させること。

提案手法

• 複数の格子スケールおよびクォーク質量を用いた、基礎フェルミオンを伴うSU(2)およびSU(3)ゲージ理論の非摂動的格子シミュレーションを実施する。
• 非摂動的演算子の正規化に、$w_0$ スケール設定法とRI-MOMスキームを用いる。
• 物理的観測量（$F_\pi$、フェルミオン凝集体、励起状態の質量など）を抽出するために、同時にクリティカルおよび連続的外挿を実行する。
• ウォークイン技術色理論およびpNGBヒッグスモデルの文脈において、スピン0およびスピン1の励起状態（QCDにおける$\rho$、$\sigma$、$a_1$に類似）のスペクトルを分析する。
• 共形ウィンドウ付近の強い相関系において、有限サイズ効果を最小限に抑えるために、大きな空間的体積を用いる。
• 得られたスペクトルをQCDと比較し、LHCの制約下での現象論的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオンが基礎表現または高次表現にある強い結合ゲージ理論の相構造は、共形ウィンドウ付近でどのように変化するか？
• RQ2 格子シミュレーションは、ウォークイン技術色理論や擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストン粒子ヒッグスモデルにおける軽い複合スカラーステートを検出可能か？
• RQ3 これらのBSMモデルにおいて、$\rho$および$\sigma$メソンのような励起状態の質量は、パイオン崩壊定数$F_\pi$にどのように依存するか？
• RQ4 クリティカルおよび連続的外挿の誤差が、複合ヒッグスモデルにおける格子予測の信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 予測された複合ヒッグスモデルのスペクトルは、現在のLHCの新しい物理に関する制約と整合的か？

主な発見

• 2つの基礎フェルミオンを有する最小限のSU(2)モデルの格子シミュレーションにおいて、$F_\pi$、フェルミオン凝集体、および最も軽いスピン0およびスピン1の励起状態について、同時にクリティカルおよび連続的外挿が成功裏に実行された。
• SU(2) pNGBモデルにおける得られたスペクトルは、QCDと比べて著しく重く、連続的極限において$\rho$に類似した状態が$F_\pi$の約2.5〜3倍の質量を示した。
• アライメント角$\theta < 0.2$の範囲では、最も軽いスカラースペクトルが現在のLHC探索範囲を超えている。技術色理論極限（$\theta = \pi/2$）でさえも同様の結果となった。
• 特にスカラーステートおよび共形に近い理論において、クリティカルおよび連続的外挿の複雑さから、依然として大きな系統的誤差が残っている。
• 結果は、pNGBモデルのスペクトルがQCDと著しく異なり、検出が困難な重い励起状態を有することを示唆している。
• 本研究は、pNGBヒッグスモデルに対する非摂動的格子解析の可能性を確認したが、より高い精度を得るには体積および統計の改善が今後必要である。