[论文解读] Low Scale Composite Higgs Model and 1.8 $\sim$ 2 TeV Diboson Excess

Ligong Bian, Da Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 16

一句话总结

本文提出一个低尺度复合希格斯模型，包含一个具有 $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 对称性的矢量共振态 $\rho$ 和一个轴矢量共振态 $a$，以解释ATLAS与CMS在LHC中观测到的1.8–2 TeV二玻色子过剩。$\rho$ 玻色子通过Drell-Yan过程产生，其衰变分支比在 $WW$、$WZ$ 和 $ZZ$ 中较大，而 $a$ 玻色子则抵消了 $\rho$ 引起的 $S$ 参数和电弱精确测试（EWPT）贡献，从而允许任意的费米子耦合。当 $\xi \sim (0.05, 0.2)$、$g_\rho \sim (1.5, 2.5)$ 且特定复合费米子组分下，该模型能很好地拟合二玻色子过剩。

ABSTRACT

We consider a simple solution to explain the recent diboson excess observed by ATALS and CMS Collaborations in models with custodial symmetry $SU(2)_L imes SU(2)_R ightarrow SU(2)_c$. The $SU(2)_L$ triplet vector boson $ρ$ with mass range of $1.8 \sim 2$ TeV would be produced through the Drell-Yan process with sizable diboson decay branching to account for the excess. The other $SU(2)_L imes SU(2)_R$ bidoublet axial vector boson $a$ would cancel all deviations of electroweak obervables induced by $ρ$ even if the SM fermions mix with some heavy vector like (composite) fermions which couple to $ρ$ ("non-universally partially composite"), therefore allows arbitrary couplings between each SM fermion and $ρ$. We present our model in the "General Composite Higgs" framework with $SO(5) imes U(1)_X ightarrow SO(4) imes U(1)_X$ breaking at scale $f$ and demand the first Weinberg sum rule and positive gauge boson form factors as the theoretical constraints. We find that our model can fit the diboson excess very well if the left-handed SM light quarks, charged leptons and tops have zero, zero/moderately small and moderate/large composite components for reasonable values of $g_ρ$ and $f$. The correlation between tree level $S$ parameter and the $h ightarrow Z γ$ suggest a large $a$ contribution to $h ightarrow Z γ$ and it is indeed a $\mathcal{O}(1)$ effect in our parameter space which provides a strong hint for our scenario if this diboson excess is confirmed by the $13 \sim 14$ TeV LHC Run II.

研究动机与目标

• 解释LHC中ATLAS与CMS数据观测到的1.8–2 TeV二玻色子共振态过剩。
• 解决为实现二玻色子衰变所需的大 $\rho$ 耦合与电弱精确测试（EWPT）之间的张力，特别是大的 $S$ 参数问题。
• 构建一个模型，使 $\rho$ 玻色子通过混合与SM费米子普遍耦合，同时通过部分复合性允许任意的耦合强度而不破坏EWPT。
• 通过第一Wess-Zumino求和规则与正的规范玻色子形式因子确保理论一致性，强制实现 $SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 破解于尺度 $f$。

提出的方法

• 采用 '通用复合希格斯' 框架，实现 $SO(5)\times U(1)_X \to SO(4)\times U(1)_X$ 破解于尺度 $f$，并引入自旋-1共振态的矢量介子主导机制。
• 引入一个三重态矢量玻色子 $\rho$ 和一个双二重态轴矢量玻色子 $a$，其在 $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 下变换为 $(2,2)$，其中 $a$ 仅耦合至规范当前，不直接耦合至SM费米子，直至电弱对称性自发破缺。
• 实施第一Wess-Zumino求和规则，并要求规范玻色子形式因子为正，以约束模型并确保与Witten定理的一致性。
• 利用 $\Gamma(\rho \to WW, WZ, Zh, f\bar{f}) \propto g^2_{\rho\text{ current}} / m_\rho^2$ 计算 $\rho$ 的衰变宽度，对费米子衰变则使用 $\Gamma \propto g^2_{\rho f\bar{f}}$。
• 对质量矩阵进行对角化，推导出 $h \to Z\gamma$ 的有效耦合，表明 $a$ 玻色子在 $\mathcal{O}(1)$ 层次贡献，提供一个关键可检验信号。
• 通过功率计数估计表明，$\rho$-$a$ 混合受 $g/g_\rho$ 抑制，确保 $\rho$ 耦合保持主导。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 $SU(2)_L \times SU(2)_R$ 对称性的低尺度复合希格斯模型能否在不违反电弱精确测试的前提下解释1.8–2 TeV二玻色子过剩？
• RQ2 当 $\rho$ 玻色子对二玻色子具有大耦合时，如何抵消 $S$ 参数及其他EWPT约束？
• RQ3 轴矢量共振态 $a$ 在抵消 $S$ 参数及费米子耦合引起的偏离中扮演何种角色？
• RQ4 在 $a$ 介导的抵消机制下，是否可在一致模型中允许 $\rho$ 与SM费米子的任意耦合？
• RQ5 该模型预测 $a$ 玻色子对 $h \to Z\gamma$ 衰变幅度的贡献是多少？其是否可作为关键信号？

主要发现

• 该模型通过质量为1.8∼2 TeV的 $\rho$ 共振态成功解释了1.8–2 TeV二玻色子过剩，该共振态通过Drell-Yan过程产生，并以6–10 fb的分支比衰变为 $WW$、$WZ$ 和 $ZZ$。
• 轴矢量玻色子 $a$ 抵消了由 $\rho$ 引起的大的正 $S$ 参数，使得在不违反EWPT的前提下，$\rho$-费米子耦合可为任意值。
• 当 $\xi \sim (0.05, 0.2)$ 且 $g_\rho \sim (1.5, 2.5)$ 时，若左手中性SM轻夸克与带电轻子的复合组分接近零或较小，而顶夸克具有中等至较大的复合性，则该模型能很好地拟合二玻色子过剩。
• $a$ 玻色子对 $h \to Z\gamma$ 衰变振幅的贡献为 $\mathcal{O}(1)$，若二玻色子过剩在Run II中得到证实，这将提供一个强大且可检验的信号。
• 该模型满足第一Wess-Zumino求和规则，并要求正的规范形式因子，从而确保理论一致性与稳定性。
• 费米子对 $\rho$ 的耦合主要由 $t_L$ 的部分复合性主导，其耦合为 $g_{\rho^{+}t_L b_L} \sim -g^2/g_\rho + g_\rho \epsilon_{t_L}^2$，从而在不引起显著EWPT效应的前提下，实现大的 $t\bar{t}\rho$ 耦合。