[论文解读] Bootstrap Dynamical Symmetry Breaking with New Heavy Chiral Quarks

Yukihiro Mimura, W.-S. Hou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2012

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 3

一句话总结

本文提出一种由新重手征夸克 doublet（Q）的强规范耦合驱动的自举动力性对称性自发破缺机制，该机制在生成其自身质量的同时，也解释了戈尔斯坦玻色子（G）在圈图中保持无质量。求解间隙方程的数值解得到重夸克质量在 2–3 TeV 范围内，若真实希格斯粒子为重或不存在，则与 126 GeV 玻色子的径子解释一致。

ABSTRACT

A Higgs-like new boson with mass around 126 GeV is now established, but its true nature probably cannot be settled with 2011--2012 LHC data. We assume it is a dilaton with couplings weaker than the Higgs boson (except to $γγ$ and $gg$), and explore dynamical symmetry breaking (DSB) by strong Yukawa coupling of a yet unseen heavy chiral quark doublet $Q$. Assuming the actual Higgs boson to be heavy, the Goldstone boson $G$ of electroweak symmetry breaking still couples to $Q$ with Yukawa coupling $λ_Q$. A ``bootstrap" gap equation without a Higgs particle is constructed. Electroweak symmetry breaking via strong $λ_Q$ generates both heavy mass for $Q$, while self-consistently justifying $G$ as a massless Goldstone particle in the loop. The spontaneous breaking of scale invariance in principle \emph{allows} for a dilaton. We numerically solve such a gap equation and find the mass of the heavy quark to be a couple of TeV. We offer a short critique on the results of the scale-invariant model of Hung and Xiong, where a similar gap equation is built with a massless scalar doublet. Through this we show that a light SM Higgs at 126 GeV cannot be viable within our approach to DSB, while a dilaton with weaker couplings is consistent with our main result.

研究动机与目标

• 探索无需基本希格斯玻色子的动力性电弱对称性自发破缺（DSB）机制，假设 126 GeV 状态为耦合被抑制的径子。
• 构建一个自洽的间隙方程，通过戈尔斯坦玻色子 G 与新重手征夸克 doublet Q 的强规范耦合，生成 Q 的质量。
• 证明尽管重夸克质量已生成，戈尔斯坦玻色子 G 在圈图中仍保持无质量，从而维持 Nambu-Goldstone 性质。
• 表明 126 GeV 处的轻标准模型希格斯玻色子与该 DSB 机制不一致，而耦合较弱的径子则可行。
• 提供一个框架，通过动力学机制实现规范对称性自发破缺，从而允许径子作为物理态存在。

提出的方法

• 构建一个‘自举’间隙方程，通过戈尔斯坦玻色子 G 与重手征夸克 doublet Q 的强规范耦合 λQ，自洽地生成 Q 的质量。
• 基于电弱对称性自发破缺的实验事实，将戈尔斯坦玻色子 G 视为圈图中的无质量态。
• 利用在 1–2 TeV 以下未观测到新粒子的实证事实，将动量积分截断于 2mQ，其中 mQ 为待求解量。
• 通过数值方法求解耦合积分方程，类比于具有无质量费米子的强耦合、规范不变的 QED。
• 在间隙方程的背景下应用类似朗道规范的简化，尽管系统仍为耦合积分方程。
• 将模型扩展至包含可能的 Q̄Q 介子（色八重态 π8、ω8 和单态 ω1），提出在大型强子对撞机（LHC）上可能的新产生通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过新重手征夸克 doublet 的强规范耦合，在无基本希格斯玻色子的前提下实现电弱对称性自发破缺？
• RQ2 能否构建一个自洽的间隙方程，使得戈尔斯坦玻色子在重夸克获得质量的同时仍保持无质量？
• RQ3 在此自举 DSB 情景下，重手征夸克 doublet Q 的质量尺度为何？
• RQ4 在该框架中，126 GeV 的径子与标准模型希格斯玻色子相比有何差异？
• RQ5 该模型能否在动力学破缺规范对称性的同时，容纳一个作为物理态的径子？

主要发现

• 自举间隙方程的数值解得到重手征夸克 doublet 的质量在 2–3 TeV 范围内。
• 为生成该质量所需的规范耦合 λQ 接近临界值约 4π，类似于 π–N 系统。
• 该模型与 126 GeV 处的轻标准模型希格斯玻色子不一致，因为此类状态会与强耦合 DSB 机制冲突。
• 若其对费米子和矢量玻色子的耦合被 v/f 抑制，则 126 GeV 状态的径子解释与该模型一致。
• 该模型预测存在新的 Q̄Q 介子，包括色八重态（π8、ω8）和色单态（ω1），这些态可能在大型强子对撞机（LHC）上可观测。
• 大型强子对撞机（LHC）可通过测量被抑制的矢量玻色子融合（VBF）和希格斯辐射（VH）产生率，检验 126 GeV 状态的径子性质，从而揭示径子的衰变常数 f。