[论文解读] Direct Constraints, Flavor Physics, and Flavor Anomalies in Composite Higgs Models

Peter Stangl|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 294被引用 10

一句话总结

本论文研究了复合希格斯模型（CHMs）作为解决标准模型自然性问题的方案，分析了对撞机的直接约束及其在解释稀有B介子衰变中味物理异常方面的潜力。结果表明，一个最小化的基本部分复合模型能够同时满足电弱和低能味物理约束，同时解释 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 异常以及 $R_{K^{(*)}}$ 轻子味 universality 破坏。

ABSTRACT

Composite Higgs models (CHMs) offer an elegant solution to the naturalness problem of the Standard Model (SM). Their direct effects at particle colliders like the Large Hadron Collider (LHC) are thus of central interest. While no direct effects have been observed so far, there are recent indirect hints for new physics (NP) coming from measurements of rare B meson decays. This thesis studies direct collider constraints on CHMs as well as the question if these models can explain the hints for NP in rare B decays. The first part of this thesis gives a self-contained introduction to all main concepts of CHMs used in the remainder of the work. These concepts are then applied in several phenomenological analyses. In the context of global numerical analyses of two explicit CHMs, the direct constraints on vector, fermion and scalar resonances are studied in detail. The prospects of various decay channels for observing or excluding still viable parameter points of the considered models are discussed. Model independent analyses of the hints for NP in rare B decays are performed in the context of the $B o K^* μ^+ μ^-$ anomaly as well as the hints for violation of lepton flavor universality (LFU) found in measurements of the observables $R_K$ and $R_{K^*}$. A simple CHM is presented that can explain the anomalies in rare B decays by partially composite left-handed muons. The flavor physics of a much more ambitious model, which is based on a UV completion of effective CHMs called fundamental partial compositeness (FPC), is investigated in detail. Taking into account all relevant constraints from electroweak scale physics and low-energy flavor observables, it is shown that this model can explain the anomalies found in rare B decays.

研究动机与目标

• 评估来自大型强子对撞机（LHC）对矢量、费米子和标量共振态搜索的复合希格斯模型（CHMs）的直接实验约束。
• 研究CHMs是否能够解释近期在稀有 $B$-介子衰变中出现的新物理迹象，特别是 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 异常和 $R_{K^{(*)}}$ 轻子味 universality 破坏。
• 构建并分析一个最小化的基本部分复合性（FPC）模型，该模型在不与电弱或低能味可观测量冲突的前提下解释味异常。
• 对显式CHM实现进行全局数值分析，整合来自高能和低能物理的约束。

提出的方法

• 对两个显式CHM框架进行全局数值分析，包括矢量、费米子和标量共振态，使用大型强子对撞机运行1和运行2的实验数据。
• 对 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 衰变数据和 $R_{K^{(*)}}$ 测量结果应用模型无关分析，以探测轻子味 universality 破坏。
• 提出一个简化的CHM，其中左手中微子部分复合，以解释稀有B衰变中观测到的异常。
• 对基于基本部分复合性的紫外完备FPC模型进行详细的味物理分析，包括有效场论匹配。
• 施加来自电弱精确可观测量、稀有kaon衰变和 $B$ 衰变以及 $K\bar{K}$ 混合的约束，以检验模型的可行性。
• 使用 flavio 和 inspiretools 软件框架进行精确味物理和现象学分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 复合希格斯模型能否解释稀有 $B$-介子衰变中观测到的异常，如 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 衰变模式和 $R_{K^{(*)}}$ 偏离？
• RQ2 直接LHC搜索在多大程度上限制了复合希格斯模型中矢量、费米子和标量共振态的参数空间？
• RQ3 一个最小化的基本部分复合性模型能否同时解释味异常并满足严格的低能味物理和电弱精确测量约束？
• RQ4 左手中微子的部分复合性模式在CHMs中如何影响轻子味 universality 破坏的实现？

主要发现

• 一个包含部分复合左手中微子的简化复合希格斯模型能够成功解释 $B\to K^{*}\mu^{+}\mu^{-}$ 异常和 $R_{K^{(*)}}$ 偏离。
• 最小化的基本部分复合性（FPC）模型能够在不违背电弱精确测量和低能味可观测量的前提下解释观测到的味异常。
• 全局数值分析表明，当前LHC搜索尚未排除所考虑CHM中的许多可行参数点，特别是在 $\rho^\pm \to W^\pm h$、$W^\pm Z$ 和 $tb$ 衰变道中。
• $\rho^\pm \to W^\pm Z$ 和 $\rho^\pm \to W^\pm h$ 衰变道在未来LHC运行中具有强有力的前景，可用于排除或发现新共振态。
• $K\bar{K}$ 混合、$K^0$-$\bar{K}^0$ 混合以及稀有 $B$ 衰变的约束强烈限制了CHMs的参数空间，尤其在大混合角情况下。
• 对 $R_{K^{(*)}}$ 的模型无关分析确认了与标准模型预测的显著偏离，其中 $R_{K^*}$ 通道的局部显著性约为3.1σ。