[论文解读] Concepts of Electroweak Symmetry Breaking and Higgs Physics

M. Gómez-Bock, M. C. Mondragon+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用 16

一句话总结

本文对标准模型及其超对称扩展中的电弱对称性自发破缺与希格斯物理提供了全面的理论与现象学综述，涵盖强相互作用动力学和额外维度等替代机制。文章详细阐述了希格斯机制、希格斯质量的辐射修正约束，以及大型强子对撞机（LHC）、Tevatron和$e^{+}e^{-}$直线对撞机的实验前景，结论指出：若标准模型在普朗克尺度下仍然成立，则希格斯粒子质量被限制在130–190 GeV之间。

ABSTRACT

We present an introduction to the basic concepts of electroweak symmetry breaking and Higgs physics within the Standard Model and its supersymmetric extensions. A brief overview will also be given on alternative mechanisms of electroweak symmetry breaking. In addition to the theoretical basis, the present experimental status of Higgs physics and prospects at the Tevatron, the LHC and e+e- linear colliders are discussed.

研究动机与目标

• 为电弱对称性自发破缺与标准模型中希格斯机制的理论基础提供教学性导论。
• 将讨论扩展至标准模型的超对称扩展，特别是MSSM，及其对层次问题的启示。
• 探讨电弱对称性自发破缺的替代机制，包括强相互作用动力学与额外维度。
• 回顾LEP、Tevatron上希格斯粒子搜索的当前实验状态，以及LHC和$e^{+}e^{-}$直线对撞机的预期探测能力。
• 分析来自精确电弱数据与真空稳定性对希格斯粒子质量的约束，识别出130–190 GeV之间的狭窄窗口。

提出的方法

• 使用一个复值同位旋双态标量场获得真空期望值$v \simeq 246$ GeV，通过希格斯机制将SU(2) × U(1)对称性自发破缺至U(1)_{EM}。
• 应用希格斯机制通过自发对称性破缺生成规范玻色子与费米子的质量，同时保留一个物理希格斯粒子。
• 分析对希格斯质量的辐射修正，分别基于幺正性与真空稳定性推导出其上下限。
• 考虑超对称性通过费米子与玻色子圈图之间的抵消，消除希格斯质量中的二次发散。
• 考察如技术色动力学（强相互作用动力学）、由近似金斯玻色子构成的复合希格斯模型，以及额外维模型中希格斯粒子由高维规范场生成的机制。
• 利用戈德斯通定理解释当秩为N的全局对称性自发破缺为秩为M的子群时，产生N−M个无质量戈德斯通玻色子的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型中电弱对称性自发破缺的理论机制是什么？它如何生成规范玻色子与费米子的质量？
• RQ2 在标准模型中，辐射修正与真空稳定性如何约束希格斯粒子的质量？
• RQ3 将标准模型嵌入大统一理论或超对称扩展中，对电弱对称性破缺尺度有何启示？
• RQ4 强相互作用动力学或额外维等替代机制如何在不引入基本希格斯粒子的情况下实现电弱对称性自发破缺？
• RQ5 在Tevatron、LHC以及未来的$e^{+}e^{-}$直线对撞机上，发现并表征希格斯粒子的实验前景如何？

主要发现

• 若标准模型在普朗克尺度下仍然成立，则希格斯粒子质量被限制在130至190 GeV之间的狭窄窗口内，依据是真空稳定性和幺正性约束。
• 来自LEP、SLC和Tevatron的高精度电弱数据倾向于支持一个轻量级希格斯粒子，其95%置信水平上限约为144 GeV。
• LEP2的直接搜寻实验对希格斯质量设定了下限$M_H \gtrsim 114$ GeV。
• LHC能够探测标准模型中希格斯粒子的整个典型质量范围，从而实现发现与初始性质测量。
• 对希格斯机制的高分辨率研究，包括耦合常数与量子数，需要$e^{+}e^{-}$直线对撞机的高精度。
• 在MSSM中，超对称性通过抵消机制稳定了希格斯质量，若希格斯质量接近1 TeV，则新物理的尺度被推至TeV量级。