[논문 리뷰] Direct Constraints, Flavor Physics, and Flavor Anomalies in Composite Higgs Models

Peter Stangl|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 294인용 수 10

한 줄 요약

이 학위논문은 표준모형의 자연성 문제를 해결하기 위한 복합 힉스 모형(CHMs)을 연구하며, 직접 콜라이더 제약 조건과 희귀 B 메손 붕괴에서의 풍미 이상 현상의 설명 가능성을 분석한다. 이는 최소한의 기본 부분 복합성 모형이 전자약력 및 저에너지 풍미 제약 조건을 동시에 만족하면서도 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 이상 현상과 $R_{K^{(*)}}$ 레프톤 풍미 보존 위반을 설명할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Composite Higgs models (CHMs) offer an elegant solution to the naturalness problem of the Standard Model (SM). Their direct effects at particle colliders like the Large Hadron Collider (LHC) are thus of central interest. While no direct effects have been observed so far, there are recent indirect hints for new physics (NP) coming from measurements of rare B meson decays. This thesis studies direct collider constraints on CHMs as well as the question if these models can explain the hints for NP in rare B decays. The first part of this thesis gives a self-contained introduction to all main concepts of CHMs used in the remainder of the work. These concepts are then applied in several phenomenological analyses. In the context of global numerical analyses of two explicit CHMs, the direct constraints on vector, fermion and scalar resonances are studied in detail. The prospects of various decay channels for observing or excluding still viable parameter points of the considered models are discussed. Model independent analyses of the hints for NP in rare B decays are performed in the context of the $B o K^* μ^+ μ^-$ anomaly as well as the hints for violation of lepton flavor universality (LFU) found in measurements of the observables $R_K$ and $R_{K^*}$. A simple CHM is presented that can explain the anomalies in rare B decays by partially composite left-handed muons. The flavor physics of a much more ambitious model, which is based on a UV completion of effective CHMs called fundamental partial compositeness (FPC), is investigated in detail. Taking into account all relevant constraints from electroweak scale physics and low-energy flavor observables, it is shown that this model can explain the anomalies found in rare B decays.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 벡터, 페르미온, 스칼라 공명체에 대한 검색 결과로부터 복합 힉스 모형(CHMs)에 대한 직접 실험적 제약 조건을 평가하기 위해.
• 최근 희귀 $B$-메손 붕괴에서의 새로운 물리학의 징후, 특히 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 이상 현상과 $R_{K^{(*)}}$ 레프톤 풍미 보존 위반을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 전자약력 및 저에너지 풍미 관측 결과와 충돌하지 않으면서도 풍미 이상 현상을 설명할 수 있는 최소한의 기본 부분 복합성(FPC) 모델을 구축하고 분석하기 위해.
• 고에너지 및 저에너지 물리학의 제약 조건을 모두 통합하여 명시적인 CHM 실현의 전반적인 수치 분석을 수행하기 위해.

제안 방법

• LHC 런 1 및 런 2의 실험 데이터를 사용하여, 벡터, 페르미온, 스칼라 공명체를 포함한 두 가지 명시적 CHM 프레임워크에 대한 전반적인 수치 분석을 수행한다.
• $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 붕괴 데이터와 $R_{K^{(*)}}$ 측정치를 이용한 모델 독립적 분석을 통해 레프톤 풍미 보존 위반을 탐색한다.
• 희귀 B 붕괴에서 관측된 이상 현상을 설명하기 위해 부분적으로 복합된 왼쪽 편의 무거운 뮤온을 포함하는 단순한 CHM을 제안한다.
• 기본 부분 복합성에 기반한 우주론적 완전한 FPC 모델의 세밀한 풍미 물리학 분석을 수행하며, 유효장이론 매칭을 포함한다.
• 전자약력 정밀도 관측, 희귀 카이온 및 $B$ 붕괴, $K\bar{K}$ 혼합에 의한 제약 조건을 적용하여 모델의 타당성을 시험한다.
• 정밀한 풍미 물리학 및 현상학적 분석을 위해 flavio 및 inspiretools 소프트웨어 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 힉스 모형은 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 붕괴 패턴과 $R_{K^{(*)}}$ 이심과 같은 희귀 B-메손 붕괴에서 관측된 이상 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 직접 LHC 검색 결과는 복합 힉스 모형 내의 벡터, 페르미온, 스칼라 공명체의 매개변수 공간을 어느 정도 제약하는가?
• RQ3 최소한의 기본 부분 복합성 모형은 풍미 이상 현상을 동시에 설명하면서도 엄격한 저에너지 풍미 및 전자약력 정밀도 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ4 왼쪽 편의 무거운 뮤온의 부분 복합성 패턴은 CHMs에서 레프톤 풍미 보존 위반의 실현에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 부분적으로 복합된 왼쪽 편의 뮤온을 포함하는 단순한 복합 힉스 모형은 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 이상 현상과 $R_{K^{(*)}}$ 이심을 성공적으로 설명할 수 있다.
• 최소한의 기본 부분 복합성(FPC) 모형은 관측된 풍미 이상 현상을 설명하면서도 전자약력 정밀도 측정치 및 저에너지 풍미 관측 결과와 일치한다.
• 전반적인 수치 분석 결과, 현재 LHC 검색 결과에 의해 배제되지 않은, 고려된 CHMs 내 많은 타당한 매개변수 점들이 남아 있다. 특히 $\rho^\pm \to W^\pm h$, $W^\pm Z$, 및 $tb$ 붕괴 채널에서 그렇다.
• $\rho^\pm \to W^\pm Z$ 및 $\rho^\pm \to W^\pm h$ 채널은 향후 LHC 런에서 새로운 공명체의 배제 또는 발견에 매우 유망한 전망을 가진다.
• $K\bar{K}$ 혼합, $K^0$-$\bar{K}^0$ 진동, 그리고 희귀 $B$ 붕괴에 의한 제약 조건은 특히 큰 혼합 각도에서 CHMs의 매개변수 공간을 강력하게 제한한다.
• 모델 독립적 $R_{K^{(*)}}$ 분석 결과, 표준모형 예측에서의 현저한 이심이 확인되었으며, $R_{K^*}$ 채널에서 국소적 유의수준 약 3.1σ이다.