[論文レビュー] The Natural Composite Higgs

Luca Vecchi|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、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・ボソン（pseudo-Nambu-Goldstone boson）としてのヒッグスを実現する、SU(5)/SO(5) コセットに基づく自然な複合ヒッグス模型を提案する。ヒッグス質量の自然性を達成するために、軽いトップパートナーや効率的な集団的破れ機構を導入し、微調整を軽減するとともに、LHC ヒッグスデータへのフィットを改善する。また、UV 敏感なループにより重要なヒッグス四次結合項が生成され、ヒッグス質量の安定化に寄与するが、微調整は不要である。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson has put considerable pressure on theories that aim to solve the hierarchy problem. Scenarios in which the Higgs is a pseudo Nambu-Goldstone boson (NGB) of some new strong dynamics must possess a number of non-generic features in order to pass the progressively stringent collider bounds and simultaneously meet our naturalness criteria. Among these features are the existence of light fermionic partners of the top quark and an efficient collective breaking of the Nambu-Goldstone symmetry. The top partners have to be not only parametrically lighter than the other composites, but also weakly coupled to them in order to suppress unwanted flavor-violating effects. A Natural pseudo-NGB Higgs model should also be able to fit the LHC Higgs data without fine-tuning. Among theories with comparable compositeness scales, those that predict smaller corrections in the Higgs couplings to the standard model particles are therefore preferred. A concrete implementation of these ingredients is discussed in a scenario based on the coset SU(5)/SO(5). The fit to the current LHC Higgs data is significantly improved compared to the minimal scenarios, and a fully natural explanation of both the weak scale and the Higgs boson mass can be attained. An important role is played by an independent quartic Higgs coupling generated by UV-sensitive loops involving electroweak doublets mixing with the top partners. The collider signature of this framework is shown to be rather model-dependent; in particular, the exotic scalars can alter the phenomenology of the top partners at a qualitative level.

研究の動機と目的

• 弱いスケールおよびヒッグス質量における階層問題を、複合ヒッグスの文脈で自然性を達成すること。
• 強く結合した理論において、観測されたヒッグス粒子質量（約 126 GeV）を最小限の微調整で説明すること。
• ヒッグスが擬スカラー・ニーマン・ゴールドストン・ボソン（pseudo-NGB）であり、軽いトップパートナーやフラバー違反効果が抑制されたモデルを構築すること。
• 最小の複合ヒッグスモデルよりも小さい結合修正で LHC ヒッグスデータを説明すること。
• ヒッグス質量の自然性に不可欠な四次ヒッグス結合項を生成する UV 敏感なループ機構を同定すること。

提案手法

• モデルは、擬スカラー・ニーマン・ゴールドストン・ボソン（pseudo-NGB）ヒッグスの実現に自然な枠組みを提供する SU(5)/SO(5) コセットに基づく。
• 軽いトップパートナ―は、SU(5) の不完全表現に属するフェルミオンとして導入され、SU(5)×SO(2) において (5,2) に変換することで、弱い結合性とフラバー違反の抑制を実現する。
• トップパートナーマスにソフト破れ項 δmΨ を追加し、SO(2) および SU(5) を明示的に破ることで、ヒッグスポテンシャルの生成を可能にする。
• 低エネルギーにおける有効理論は、重いフェルミオンを統合することで導出され、スプルニオン的対称性構造が対称性破れのパターンを符号化する。
• 軽い異常フェルミオン（ψ1⁻, ψ2⁺）による1ループの寄与が、不変量 Δ†ΔUΣ₀(Δ†ΔUΣ₀)* を介して UV 敏感なヒッグス四次結合項を生成する。この項は γ および mϕ₊ を再正則化する。
• 対称性破れのパターンを表すバックグラウンド場 Δ を用いることで、SO(2) 不変ポテンシャルの構築が可能となり、ヒッグス質量における微調整を回避できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SU(5)/SO(5) を基盤とする複合ヒッグスモデルは、微調整を伴わず、弱いスケールおよびヒッグス質量の両方において自然性を達成できるか？
• RQ2 UV 敏感なループによって、複合ヒッグス枠組み内で自然にヒッグス四次結合項を生成できるか？
• RQ3 不完全な SU(5) 表現に属する異常フェルミオンは、ヒッグスポテンシャルおよびコライダー臨床的性質にどのように寄与するか？
• RQ4 本モデルにおける集団的破れ機構は、最小の複合ヒッグスモデルと比較して、フラバー変換中性荷電現在（FCNC）をどのように抑制するか？
• RQ5 本モデルは、最小の複合ヒッグスモデルと比較して、LHC ヒッグスデータ、特にヒッグス結合修正のフィットをどのように改善できるか？

主な発見

• 弱いスケールおよび約 126 GeV のヒッグス粒子質量の両方を、最小限の微調整で完全に自然に説明できる。
• 軽いトップパートナーや効率的な集団的破れ機構の導入により、フラバー違反効果が抑制され、ヒッグス質量が安定化する。
• 電弱二重項とトップパートナが混合する1ループ図を通じて、UV 敏感でヒッグスポテンシャルに不可欠な四次ヒッグス結合項が生成される。
• 最小の複合ヒッグスモデルと比較して、現在の LHC ヒッグスデータへのフィットが顕著に改善され、特にヒッグス結合修正の面で顕著である。
• コライダー臨床的性質はモデル依存である：異常スカラーおよびトップパートナの結合は、LHC における発見可能性およびシグネチャを変える可能性がある。
• mΨ ≲ mρ の仮定のもとで、放射的な安定性が保たれ、ループ補正が適切に制御され、再び微調整が生じない。