[論文レビュー] Composite Higgs from mass-split models

Oliver Witzel, Anna Hasenfratz+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、4つの軽いおよび8つまたは6つの重いフェルミオンのフレーバーを有するSU(3)ゲージ理論における質量スプリットモデルが、複合ヒッグス相互作用の有効な候補であるかを調査する。非摂動的ラティスシミュレーションを用いて、紫外領域における根本的な共形固定点のおかげで、ヒッグス粒子が軽く、擬スネイク・ゴールドストーン状の性質を示し、QCDとは異なる明確に制約された共鳴スペクトルを示す、スケールの大きな分離とハイパースケーリングを示すことを明らかにした。

ABSTRACT

Beyond Standard Model theories describing the electro-weak sector must exhibit a large separation of scales (or "walking") to account for a light, 125 GeV Higgs boson and the fact that so far no other resonances have been observed. Large separation of scales arises naturally and in a tunable manner in mass-split models that are built on a conformal fixed point in the ultraviolet. Splitting the fermion masses into "light" (massless) and "heavy" flavors, the system shows conformal behavior in the ultraviolet but is chirally broken in the infrared. Due to the presence of a conformal fixed point, such chirally broken systems show hyperscaling and have a highly constrained resonance spectrum that is significantly different from the QCD spectrum. We highlight most characteristic features presenting numerical data obtained from dynamical simulations of an SU(3) gauge theory with four light and eight heavy flavors. In addition, we give an outlook on ongoing work simulating an SU(3) gauge theory with four light and six heavy flavors using a set-up well suited to explore e.g. mass-generation of Standard Model fermions via four-fermion interactions or partial compositeness.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグス粒子を新規共鳴状態なしに説明できる、スケールの大きな分離を示す複合ヒッグスモデルを探索すること。
• 軽いおよび重いフェルミオンを有する質量スプリットモデルが、紫外領域で共形的ダイナミクスを実現し、赤外領域でチャージャル対称性の破れを示すかどうかを調査すること。
• このようなモデルが、擬スネイク・ゴールドストーン粒子またはドレイン・ライクな状態としての軽いヒッグス粒子を生じるかどうかをテストすること。
• ラティスシミュレーションを通じて、赤外領域におけるハイパースケーリングおよびスケール不変性の数値的証拠を提供すること。
• 強い結合系における部分的コンポジット性およびフェルミオン四次相互作用の今後の研究の基盤を築くこと。

提案手法

• 4つの軽いおよび8つまたは6つの重いフレーバーを有するSU(3)ゲージ理論の非摂動的ラティス場理論シミュレーションを実施する。
• 木レベルで改善されたシマンジックゲージ作用素と、チャーミカル対称性を保存するストラップ・スメアード・モビウス・ドメイン・ウォールフェルミオンを用いる。
• 数値的安定性と正確性を確保するため、IroIro++およびGridソフトウェアパッケージを用いてシミュレーションを実行する。
• バリオンスペクトル（準スカラー、ベクトル、軸性状態）を計算し、$ M_{\pi} / M_{\rho} $ のような比を分析してハイパースケーリングの有無をテストする。
• 赤外領域の振る舞いと共形的スケーリングを調査するための制御パラメータとして、比 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ を用いる。
• 共形場理論およびQCDに類似した系の期待値と比較することで、質量スプリットモデルに特徴的な独自の特徴を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4つの軽いおよび8つまたは6つの重いフレーバーを有する質量スプリットモデルは、根本的な共形固定点のおかげでハイパースケーリングと大規模なスケール分離を示すか？
• RQ2 このようなモデルのスペクトルは、複合ヒッグスと整合するような特徴的特徴（例えば、軽い $ 0^{++} $ スカラー）を示すか？
• RQ3 準スカラー、ベクトル、および軸性状態の質量は、軽いクォークと重いクォークの質量比 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ にどのように依存するか？
• RQ4 4つの軽いおよび6つの重いフレーバーの系は、複合ヒッグスモデルにおける新しい強い相互作用系の有効な候補となるか？
• RQ5 完全なシステム的誤差の制御ができない状況下で、赤外領域における共形性の証拠として何が観測可能か？

主な発見

• 4つの軽いおよび8つの重いフレーバーを有する質量スプリットモデルは、$ M_{\pi}/M_{\rho} $ の比が異なる $ m_{\ell}/m_{h} $ の値においても一定であるという証拠により、ハイパースケーリングを示しており、赤外領域における共形的ダイナミクスを示している。
• スピン0のアイソスカラー状態（$ 0^{++} $）は、軽く、準スカラー（パイオニウム）と degenerate であることが判明し、複合ヒッグスまたはドレイン・ライクな状態と整合的である。
• 4つの軽いおよび6つの重いフレーバー系の初期結果では、複数の重いクォーク質量において $ M_{\pi}/M_{\rho} $ の比にハイパースケーリングの兆しが見られる。
• 物理的観測量が、軽いクォークと重いクォークの質量比 $ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $ のみに依存する明確な依存性が示されている。
• システム的誤差がまだ制御可能であり、統計的不確実性は大きくはあるが管理可能であるため、今後の研究に適したパラメータ範囲が同定された。
• ドメイン・ウォールフェルミオンの使用により、チャーミカル対称性のより明確な実現が可能となり、将来の物理的関連量（例えば、$ S $-パラメータやヒッグスポテンシャル）の計算が簡素化される。