[论文解读] Composite Higgs from mass-split models

Oliver Witzel, Anna Hasenfratz+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文研究了在SU(3)规范理论中，具有四只轻味和八只或六只重味费米子的夸克质量分裂模型，作为复合希格斯扇区的可行候选者。通过非微扰格点模拟，证明这些模型由于紫外区存在一个基础共形固定点，表现出超缩放性质和显著的尺度分离，从而导致一个轻的、类Nambu-Goldstone玻色子的希格斯粒子以及与QCD明显不同的高度受约束的共振谱。

ABSTRACT

Beyond Standard Model theories describing the electro-weak sector must exhibit a large separation of scales (or "walking") to account for a light, 125 GeV Higgs boson and the fact that so far no other resonances have been observed. Large separation of scales arises naturally and in a tunable manner in mass-split models that are built on a conformal fixed point in the ultraviolet. Splitting the fermion masses into "light" (massless) and "heavy" flavors, the system shows conformal behavior in the ultraviolet but is chirally broken in the infrared. Due to the presence of a conformal fixed point, such chirally broken systems show hyperscaling and have a highly constrained resonance spectrum that is significantly different from the QCD spectrum. We highlight most characteristic features presenting numerical data obtained from dynamical simulations of an SU(3) gauge theory with four light and eight heavy flavors. In addition, we give an outlook on ongoing work simulating an SU(3) gauge theory with four light and six heavy flavors using a set-up well suited to explore e.g. mass-generation of Standard Model fermions via four-fermion interactions or partial compositeness.

研究动机与目标

• 探索具有显著尺度分离的复合希格斯模型，以解释125 GeV的希格斯玻色子而不引入新共振态。
• 研究质量分裂模型（包含轻子和重子费米子）是否能在紫外区实现共形动力学，并在红外区实现手征对称性自发破缺。
• 检验此类模型是否能产生一个作为伪Nambu-Goldstone玻色子或稀释子样态的轻希格斯玻色子。
• 通过格点模拟为红外区的超缩放和尺度不变性提供数值证据。
• 为未来在强耦合规范动力学中研究部分组成性与四费米子相互作用奠定基础。

提出的方法

• 对具有四只轻味和八只或六只重味的SU(3)规范理论执行非微扰格点场论模拟。
• 使用树级改进的Symanzik规范作用项和stout-模糊化的Möbius域墙费米子，以保持手征对称性。
• 利用IroIro++和Grid软件包进行模拟，以确保数值稳定性和精度。
• 计算强子谱（赝标介子、矢量介子、轴矢介子）并分析如$ M_{\pi} / M_{\rho} $之类的比值，以检验超缩放行为。
• 将比值$ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $作为控制参数，以探测红外行为和共形标度。
• 将结果与共形场论和QCD类系统的预期进行比较，以识别质量分裂模型的独特特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有四只轻味和八只或六只重味费米子的质量分裂模型是否由于基础共形固定点的存在而表现出超缩放和显著的尺度分离？
• RQ2 此类模型的谱是否表现出独特特征（如轻的$ 0^{++} $标量态），与复合希格斯粒子一致？
• RQ3 赝标介子、矢量介子和轴矢介子的质量如何随轻-重夸克质量比$ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $变化而标度？
• RQ4 四只轻味和六只重味的系统是否可作为复合希格斯模型中新强作用扇区的可行候选？
• RQ5 在系统误差尚未完全控制的情况下，能否观察到红外区共形性的证据？

主要发现

• 四只轻味和八只重味的质量分裂模型表现出超缩放，表现为比值$ M_{\pi}/M_{\rho} $在不同$ m_{\ell}/m_{h} $下保持恒定，表明红外区存在共形动力学。
• 单态标量态（$ 0^{++} $）被发现为轻态，并与赝标介子（π介子）简并，与复合希格斯或稀释子样态一致。
• 四只轻味六只重味系统的初步结果表明，$ M_{\pi}/M_{\rho} $比值在多个重夸克质量下显示出超缩放的迹象。
• 该系统对轻-重夸克质量比$ \tilde{m}_{\ell}/\tilde{m}_{h} $表现出清晰依赖性，物理可观测量仅依赖于该比值。
• 模拟识别出一个适合进一步研究的参数范围，系统误差仍在可控范围内，统计不确定性虽大但可管理。
• 使用域墙费米子可实现更清晰的手征对称性实现，简化未来对物理上相关量（如$ S $-参数或希格斯势）的计算。