[论文解读] 125 GeV Higgs Boson and TeV Scale Colored Fermions in Gauge-Higgs Unification

Nobuhito Maru, Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种五维 $SU(3) imes U(1)'$ 规范-希格斯统一模型，其中包含具有半周期性边界条件的色荷体规费米子（以10-和15-plet表示），在TeV量级的紧化尺度下实现了125 GeV的希格斯玻色子质量。通过调节体规费米子的质量并利用在规范-希格斯条件下的单圈跑动方程（RGE），该模型在保持正确希格斯质量的同时，预测了来自Kaluza-Klein（KK）激发态的破坏性量子修正，从而降低了希格斯玻色子到胶子对的耦合，导致胶子融合过程中的希格斯产生截面减小。LHC数据表明，当胶子融合产生过程的截面被抑制5%至10%时，最轻的KK费米子质量被限制在2–3 TeV之间。

ABSTRACT

In the context of a simple gauge-Higgs unification scenario based on the gauge group SU(3) times U(1)' in a 5-dimensional flat spacetime, we investigate a possibility to realize the Higgs boson mass of 125 GeV with a compactification scale at the TeV. With the introduction of colored bulk fermions in a certain representation under the gauge group with a half-periodic boundary condition, we analyze the one-loop RGE of the Higgs quartic coupling with the gauge-Higgs condition and successfully obtain 125 GeV Higgs boson mass by adjusting a bulk mass for the fermions with a fixed compactification scale. The Kaluza-Klein modes of the colored fermions contribute to the Higgs-to-digluon effective coupling through the one-loop corrections. Since the contribution is destructive to the Standard Model one and reduces the Higgs boson production cross section, the recent LHC result gives a lower bound on the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion. We find the mass of the lightest Kaluza-Klein mode fermion in the range of 2-3 TeV for 10%-5% reductions of the Higgs boson production cross section through the gluon fusion channel. Such Kaluza-Klein mode fermions can be discovered at the LHC run II with sqrt{s}=13-14 TeV, and LHC phenomenology for the Kaluza-Klein fermions is briefly discussed.

研究动机与目标

• 在无超对称性的规范-希格斯统一（GHU）框架下实现125 GeV的希格斯玻色子质量。
• 研究色荷Kaluza-Klein（KK）费米子对通过胶子融合过程产生希格斯玻色子的影响。
• 利用LHC对希格斯信号强度的测量数据，约束最轻KK激发态费米子的质量。
• 在LHC Run II的背景下，探讨具有多种质量与电荷的奇异KK费米子的物理现象。
• 确定满足希格斯质量与LHC实验约束的 $SU(3)\times U(1)'$ GHU模型中的可行参数区域。

提出的方法

• 在具有 $S^1/Z_2$ 轨形紧化的平坦时空上，采用五维 $SU(3)\times U(1)'$ 规范场论。
• 引入 $SU(3)$ 的10-和15-plet表示的体规费米子，并施加半周期性边界条件，以打破宇称并生成质量本征态。
• 利用在规范-希格斯条件下的单圈跑动方程（RGE）计算希格斯四次耦合，从而推导希格斯质量。
• 计算KK激发态对希格斯到胶子对及希格斯到光子对有效耦合的单圈贡献。
• 应用规范-希格斯条件以确保量子修正的有限性，并与层次问题的解决方案保持一致。
• 将胶子融合过程中修改后的希格斯产生截面与LHC实验数据进行比较，从而推导出最轻KK费米子质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在五维 $SU(3)\times U(1)'$ GHU模型中，若包含色荷体规费米子且紧化尺度为TeV量级，能否实现125 GeV的希格斯玻色子质量？
• RQ2 色荷体规费米子的Kaluza-Klein激发态如何影响希格斯到胶子对的耦合以及希格斯产生截面？
• RQ3 当LHC数据表明胶子融合过程中的希格斯产生截面减少5%至10%时，最轻KK费米子质量的下限是多少？
• RQ4 KK费米子的电荷与质量混合如何影响其衰变模式及其在LHC中的可探测性？
• RQ5 在10-和15-plet模型中，KK费米子的物理现象学特征（特别是级联衰变与末态）是什么？

主要发现

• 通过固定TeV量级的紧化尺度，并调节10-和15-plet色荷费米子的体质量，成功在 $SU(3)\times U(1)'$ GHU模型中实现了125 GeV的希格斯玻色子质量。
• 色荷费米子的KK激发态对希格斯到胶子对的耦合产生破坏性贡献，从而降低了胶子融合过程中的希格斯产生截面。
• 当希格斯产生截面减少5%至10%时，最轻KK激发态费米子的质量被约束在2–3 TeV范围内。
• 最轻KK费米子的 $U(1)'$ 电荷为 $-1/3$ 或 $2/3$，可通过膜诱导的质量混合衰变为标准模型夸克。
• 该模型预测了从较重KK费米子到较轻KK费米子的级联衰变链，最终以最轻态衰变为标准模型夸克、W/Z玻色子或希格斯玻色子为终点。
• 10-和15-plet模型中的KK费米子在LHC Run II的 $\sqrt{s} = 13-14$ TeV条件下可被发现，其物理现象学特征类似于第四代夸克，但具有更丰富的质量与电荷结构。