[論文レビュー] The Limits of Custodial Symmetry

R. Sekhar Chivukula, Stefano Di Chiara+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ZbL¯bL結合の大きな量子修正から保護するためのカスティオナル対称性の最小実装であるダブルット拡張標準模型（DESM）を提案する。O(4) × U(1)X対称性のソフトな破れを通じて重いトップクォークパートナを導入することで、電弱精度データがカスティオナル対称性の強化を強く制約しており、95%信頼水準でトップパートナ質量が3.4 TeVを超える必要があることが示され、これはLHCで検出可能でないことを意味する。

ABSTRACT

We introduce a toy model implementing the proposal of using a custodial symmetry to protect the Zbb coupling from large corrections. This "doublet-extended standard model" adds a weak doublet of fermions (including a heavy partner of the top quark) to the particle content of the standard model in order to implement an O(4) x U(1)_X = SU(2)_L x SU(2)_R x P_{LR} x U(1)_X symmetry that protects the Zbb coupling. This symmetry is softly broken to the gauged SU(2)_L x U(1)_Y electroweak symmetry by a Dirac mass M for the new doublet; adjusting the value of M allows us to explore the range of possibilities between the O(4)-symmetric (M to 0) and standard-model-like (M to infinity) limits. In this simple model, we find that the experimental limits on the Zbb coupling favor smaller M while the presence of a potentially sizable negative contribution to T strongly favors large M. A fit to all precision electroweak data shows that the heavy partner of the top quark must be heavier than about 3.4 TeV, making it difficult to search for at LHC. This result demonstrates that electroweak data strongly limits the amount by which the custodial symmetry of the top-quark mass generating sector can be enhanced relative to the standard model. Using an effective field theory calculation, we illustrate how the leading contributions to alpha T, alpha S and the Zbb coupling in this model arise from an effective operator coupling right-handed top-quarks to the Z-boson, and how the effects on these observables are correlated. We contrast this toy model with extra-dimensional models in which the extended custodial symmetry is invoked to control the size of additional contributions to alpha T and the Zbb coupling, while leaving the standard model contributions essentially unchanged.

研究の動機と目的

• カスティオナル対称性を実装する最小的で具体的なモデルを構築し、ZbL¯bL結合の量子修正を抑制すること。
• 標準模型を越えてトップクォーク質量項におけるカスティオナル対称性をどの程度強化できるかを、電弱精度データと矛盾しない範囲で調査すること。
• この対称性保護フレームワーク内での重いトップクォークパートナの質量に関する実験的限界を特定すること。
• DESMを、新しい物理の寄与を制御するカスティオナル対称性を有する高次元モデルと比較すること。

提案手法

• 標準模型を拡張するため、ディラックフェルミオンの弱いダブルット（Ψ = (Θ, T′)）を導入し、大域的SU(2)L × SU(2)R下で(2,2*)表現を形成する。
• トップヤーコフ項およびヒッグス項においてO(4) × U(1)X大域的対称性を実装し、U(1)Xが正しいハイパーチャージを保証する。
• 新しいダブルットのディラック質量項Mを介して大域的対称性を標準模型のSU(2)L × U(1)Yにソフトに破壊し、M → 0でO(4)対称性、M → ∞で標準模型の極限に滑らかに接続できるようにする。
• 有効場理論を用いて主要寄与を特定し、ZbL¯bL結合およびオブリークパラメータαTとαSに対する1ループ修正を計算する。
• 右巻きトップクォークとZボソンを結合する単一の有効演算子が、αT、αSおよびgLbに対する一次結合修正の主要寄与源であることを同定する。
• DESMの予測を、電弱精度データ（例：ALEPH、DELPHI、L3）のグローバルフィットと比較し、Mおよびトップパートナ質量を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォーク質量生成項におけるカスティオナル対称性が、標準模型の最小的拡張においてZbL¯bL結合に与える影響は何か？
• RQ2 ディラック質量Mが新しいフェルミオンダブルットに与える影響として、電弱精度データが許容するカスティオナル対称性の最大強化度は何か？
• RQ3 DESMにおけるオブリーク修正（αT、αS）はMにどのように依存し、モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ4 DESMは、αTおよびαSデータと整合しつつ、実験的gLb値に対して標準模型よりも良い一致を達成できるか？
• RQ5 対称性保護および新しい物理の質量制約の観点から、DESMは高次元モデルと比較してどのように異なるか？

主な発見

• M → 0極限において、bLがPLR固有状態であるため、DESMはZbL¯bL結合を大きな量子修正からうまく保護する。
• gLbに対しては改善された一致を示すが、M → 0極限では実験的制約に反する非常に大きな負のαT寄与が生じ、不適切である。
• モデルは95%信頼水準でµ > 20のときのみ電弱精度データと整合するが、これはトップパートナ質量に3.4 TeVの下限を与える。
• αT、αSおよびgLbに対する主な寄与は、右巻きトップクォークとZボソンを結合する単一の有効演算子に起因しており、それらの強い相関を説明する。
• 2008年の更新データにより、S–T相関がより厳密になり、中央値も改善されたため、DESMの制約は以前の解析よりもきびしい。
• 有効場理論研究（参考文献[5]）との比較により、結果はより広いモデルクラスに対しても一般化可能であることが確認され、研究の普遍性が裏付けられた。