[论文解读] 125 GeV Higgs Boson From Gauge-Higgs Unification: A Snowmass white paper

Ilia Gogoladze, Nobuchika Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种五维规范-希格斯统一模型，其中希格斯玻色子质量通过在约10⁹ GeV的紧化尺度下统一顶夸克汤川耦合与SU(2)规范耦合而被预测。该模型在顶夸克和QCD耦合测量的实验不确定度范围内重现了观测到的125 GeV希格斯质量，为电弱对称性自发破缺提供了自然机制，并对新物理做出了可检验的预测。

ABSTRACT

In certain five dimensional gauge theories compactified on the orbifold $S^1/Z_2$ the Standard Model Higgs doublet is identified with the zero mode of the fifth component of the gauge field. This gauge-Higgs unification scenario is realized at high energies, and the Standard Model as an effective theory below the compactification scale satisfies the boundary condition that the Higgs quartic coupling vanishes at the compactification scale (gauge-Higgs condition). This is because at energies above the compactification scale, the five dimensional gauge invariance is restored and the Higgs potential vanishes as a consequence. We consider scenario where top quark Yukawa and weak gauge coupling unification can be realized and identify the compactification scale as one at which this two coupling couplings have the same value. Taking into account the experimental uncertainties in measurements of the top quark mass and the QCD coupling constant, the Higgs mass prediction of 119-126 GeV from the gauge-Higgs unification scenario is consistent with the experimentally measured value of 125-126 GeV. More precise measurements of the top quark mass and the QCD coupling constant are crucial to reduce the interval of the Higgs mass prediction and thereby test the feasibility of the gauge-Higgs unification scenario.

研究动机与目标

• 探索在五维SU(3)×U(1)'模型中，规范-希格斯统一是否能自然解释LHC观测到的125 GeV希格斯玻色子质量。
• 确定紧化尺度作为顶夸克汤川耦合与SU(2)规范耦合统一的标度。
• 检验规范-希格斯统一情景与顶夸克极质量及QCD耦合常数实验测量的一致性。
• 通过评估在当前实验不确定度下希格斯质量预测范围的大小，评估该模型的预测能力。
• 识别未来对顶夸克质量与α₃(m_Z)的高精度测量，作为验证规范-希格斯统一框架的关键测试。

提出的方法

• 采用在S¹/Z₂轨道上紧化的五维SU(3)规范理论，其中希格斯双态作为第五维规范场的零模出现。
• 施加规范-希格斯条件：由于在紧化尺度下恢复了五维规范不变性，希格斯四次耦合在此处为零。
• 应用标准模型的两圈跑动方程（RGEs），将耦合常数从Z玻色子标度运行至紧化尺度。
• 将紧化尺度μ识别为SU(2)规范耦合与顶夸克汤川耦合统一的点，该点由Mₜ和α₃(m_Z)的输入值通过RGE运行推导得出。
• 利用在统一标度处的规范-希格斯条件，将希格斯四次耦合演化至电弱标度，通过匹配条件计算物理希格斯极质量。
• 在实验不确定度范围内改变输入参数（Mₜ为172.24–174.12 GeV，α₃(m_Z)为0.1179–0.1193），以映射预测的希格斯质量范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在五维时空中的规范-希格斯统一框架内，观测到的125 GeV希格斯玻色子质量是否能被自然解释？
• RQ2 在五维模型中，SU(2)规范耦合与顶夸克汤川耦合在何种紧化尺度下统一？
• RQ3 预测的希格斯质量对顶夸克极质量与QCD耦合常数实验不确定度的敏感度如何？
• RQ4 规范-希格斯统一情景是否在当前实验误差范围内，预测与LHC测量的125 GeV希格斯质量一致？
• RQ5 需要何种高精度测量才能检验规范-希格斯统一模型的可行性？

主要发现

• SU(2)规范耦合与顶夸克汤川耦合在约10⁹ GeV的紧化尺度下统一，该尺度被识别为五维理论的能量标度。
• 预测的希格斯玻色子质量范围为119 GeV至126 GeV，具体取决于顶夸克极质量与α₃(m_Z)的输入值，与观测到的125–126 GeV值一致。
• 当顶夸克极质量处于其不确定度范围的上限且α₃(m_Z)处于下限时，该模型的预测与测量的希格斯质量最为一致。
• 希格斯质量预测对Mₜ与α₃(m_Z)的精度高度敏感，因此未来这些量的测量改进对检验该模型至关重要。
• 规范-希格斯统一情景提供了一种动力学机制，实现电弱对称性自发破缺，而无需引入基本希格斯场，希格斯势能通过Kaluza-Klein模的量子修正生成。
• 该模型在紧化尺度下实现了顶夸克与弱规范相互作用的自然统一，为顶夸克与W玻色子质量之间的层次问题提供潜在解释。