[论文解读] Beyond the Standard Model: Charting Fundamental Interactions via Lattice Simulations

Claudio Pica|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文通过非微扰格点方法研究了标准模型之外强相互作用规范场论的格点模拟，聚焦于复合希格斯模型，其中希格斯 boson 作为新强相互作用动力学产生的伪Nambu-Goldstone玻色子。针对具有 fundamentals fermions 的 SU(2) 和 SU(3) 规范理论，研究绘制了相图，发现轻标量共振态和 pNGB 希格斯态在理论上是可行的，但需要大体积和精细的矢量/连续极限外推，结果表明其谱态质量显著重于 QCD，且在小对齐角情况下可能超出当前 LHC 的探测能力。

ABSTRACT

After the discovery of the Higgs boson, the primary objective of the Large Hadron Collider (LHC) experiments is to identify new physics beyond the Standard Model (SM). One of the most intriguing possibilities would be the discovery of non-perturbative phenomena in electroweak physics. In fact both ATLAS and CMS are providing crucial precision tests of the Higgs sector. Most strikingly, there is no conclusive evidence yet on whether the Higgs boson is elementary or composite. Lattice simulations can play a key role in advancing our theoretical understanding of strongly coupled gauge theories relevant for extensions of the SM and the LHC program. In this talk I will review the state of beyond the SM (BSM) lattice studies aimed to chart the phase diagram and to uncover the properties of strongly coupled gauge theories.

研究动机与目标

• 研究复合希格斯模型作为解决标准模型层次问题的可行性。
• 绘制与新物理相关的强耦合规范场论的相图。
• 确定具有伪Nambu-Goldstone 希格斯玻色子的模型中轻共振态（包括标量和矢量介子）的谱态。
• 通过非微扰格点计算评估在大型强子对撞机（LHC）探测复合希格斯态的可行性。
• 改进强相互作用 BSM 理论中格点外推的精度——包括手征极限、连续极限和无限体积外推。

提出的方法

• 在多个格点间距和夸克质量下，对具有 fundamentals fermions 的 SU(2) 和 SU(3) 规范理论执行非微扰格点模拟。
• 采用 $w_0$ 标度设定方法，并使用 RI-MOM 方案对算符进行非微扰重正化。
• 执行联合手征极限与连续极限外推，以提取物理可观测量，如 $F_\pi$、费米子凝聚能和共振态质量。
• 在行走技术色和 pNGB 希格斯模型的背景下，分析自旋-0 和自旋-1 共振态（类比于 QCD 中的 $\rho$、$\sigma$、$a_1$）的谱态。
• 采用大空间体积以最小化接近共形窗口的强关联系统中的有限尺寸效应。
• 将所得谱态与 QCD 进行比较，并在 LHC 约束下评估其现象学可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 fundamentals 或更高表示中费米子的强耦合规范场论的相结构如何，特别是在共形窗口附近？
• RQ2 格点模拟能否探测到行走技术色或伪Nambu-Goldstone 希格斯模型中的轻复合标量态？
• RQ3 在这些 BSM 模型中，$\rho$ 和 $\sigma$ 介子等共振态的质量如何随 pion 衰变常数 $F_\pi$ 变化？
• RQ4 手征极限与连续极限外推在多大程度上影响复合希格斯模型格点预测的可靠性？
• RQ5 复合希格斯模型的预测谱态是否与当前 LHC 对新物理的约束一致？

主要发现

• 对包含两个 fundamentals fermions 的最小 SU(2) 模型的格点模拟成功实现了对 $F_\pi$、费米子凝聚能以及最轻自旋-0 和自旋-1 共振态的联合手征极限与连续极限外推。
• SU(2) pNGB 模型中得到的谱态显示共振态显著重于 QCD，其中类 $\rho$ 态在连续极限下约为 $F_\pi$ 的 2.5–3 倍。
• 对于小对齐角 $\theta < 0.2$，最轻的标量共振态超出当前 LHC 搜索范围，即使在技术色极限（$\theta = \pi/2$）下亦然。
• 由于手征极限与连续极限外推的复杂性，系统误差仍然较大，特别是对标量态和近共形理论而言。
• 结果表明，pNGB 模型的谱态与 QCD 显著不同，其共振态更重，可能在 LHC 上难以探测。
• 该研究证实了对 pNGB 希格斯模型进行非微扰格点分析的可行性，但为实现更高精度，仍需提升体积和统计量。