[论文解读] Excited Gauge and Higgs Bosons in the Unified Composite Model

Hidezumi Terazawa, Masaki Yasuè|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

本文提出，ATLAS实验近期在约2 TeV处观测到的双玻色子共振可能源自弱规范玻色子（W*, Z*）或希格斯玻色子（H*）的激发态，以及胶球（glueballs），这些粒子均在统一夸克模型中预测出现在约1 TeV的复合质量标度上。该模型通过夸克-反夸克凝聚解释约125 GeV的希格斯玻色子质量，并预测质量关系式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w，支持W*与Z*质量近乎 degenerate。

ABSTRACT

In the unified subquark model of all fundamental particles and forces, the mass of the Higgs boson in the standard model of electroweak interactions ($m_H$) is predicted to be about $2\sqrt{6}m_W/3$ (where $m_W$ is the mass of the charged weak boson, $W$), which agrees well with the experimental values of about 125 GeV recently found by the ATLAS and CMS Collaborations at the LHC. It seems to indicate that the Higgs boson is a composite of the iso-doublet spinor subquark-antisubquark pairs well described by the unified subquark model with either one of subquark masses vanishing or being very small compared to the other. In the unified composite model, the masses of excited weak gauge bosons, $W^\ast$ and $Z^\ast$, and Higgs bosons, $H^\ast$, as well as excited quarks and leptons are all predicted to be of the order of the composite mass scales, say 1 TeV, and to satisfy the relation of $m_Wm_{W^\ast} = m_Zm_{Z^\ast}\cosθ_w$ (where $θ_w$ is the weak mixing angle). It strongly suggests that the excess of di-boson resonance events recently found by the ATLAS Collaboration at about 2 TeV may be explained by the productions and decays of the first excited states of either one of the weak and Higgs bosons, and the glueballs.

研究动机与目标

• 通过统一夸克模型中由同位旋双态旋量夸克-反夸克对组成的复合希格斯玻色子态，解释观测到的约125 GeV的希格斯玻色子质量。
• 在复合能量标度 Λ ≈ 1 TeV 处预测存在激发的规范玻色子与希格斯玻色子（W*, Z*, H*），与在约2 TeV处观测到的双玻色子共振一致。
• 建立质量关系式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w，将激发的弱规范玻色子与弱混合角联系起来，提供可检验的信号。
• 探讨胶球与胶色球作为双玻色子共振潜在贡献者的角色，鉴于它们预计通过强子对撞机中的胶子融合过程产生。
• 根据近期LHC异常（特别是2 TeV共振和750 GeV双光子过剩）更新对基本粒子激发态的理论预期。

提出的方法

• 使用具有同位旋双态旋量夸克（wakems）的Nambu-Jona-Lasinio（NJL）型复合模型，推导出W与H质量的求和规则：m_W = [3(m_w1² + m_w2²)/2]^{1/2} 和 m_H = 2[(m_w1⁴ + m_w2⁴)/(m_w1² + m_w2²)]^{1/2}。
• 应用条件 m_w1 = 0 或 m_w2 = 0，推导出 m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV，与观测到的约125 GeV的希格斯玻色子质量接近。
• 将复合模型扩展至预测在相同复合标度 Λ ≈ 1 TeV 处存在激发态（W*, Z*, H* 和胶球），基于三重性原理。
• 从规范不变性与复合性条件推导出质量关系式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w，其中激发规范玻色子的耦合常数满足 g* = √(3/2)g。
• 分析衰变道如 W* → Wγ, Z* → Zγ, H* → Hγ, WW, ZZ 以及胶球衰变，这些对LHC中共振态的探测至关重要。
• 考虑胶子融合为LHC中激发胶球/胶色球的主要产生机制，使其在 Λ ~ 1 TeV 能量下可大量产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的约125 GeV的希格斯玻色子质量能否通过统一夸克模型中由夸克-反夸克对组成的复合希格斯玻色子态来解释？
• RQ2 在统一复合模型中，激发的弱规范玻色子（W*, Z*）和激发的希格斯玻色子（H*）的预测质量与衰变模式为何？
• RQ3 质量关系式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w 是否在复合模型中成立，能否解释W*与Z*质量的近简并？
• RQ4 近期在约2 TeV处观测到的双玻色子共振是否可由希格斯或弱规范玻色子的首个激发态的产生与衰变来解释？
• RQ5 在 Λ ~ 1 TeV 能量下，若通过胶子融合过程产生，激发胶球或胶色球在LHC中双玻色子共振产生过程中扮演何种角色？

主要发现

• 当一个夸克质量为零时，希格斯玻色子质量被预测为 m_H = 2√6 m_W / 3 ≈ 131 GeV，与观测到的约125 GeV的值非常接近。
• 该模型预测激发的弱规范玻色子W*与Z*质量接近1 TeV，满足关系式 m_W m_W* = m_Z m_Z* cosθ_w，导致 m_W*/m_Z* ≈ 1，误差在0.3%以内。
• 预期激发的希格斯玻色子H*将衰变为 Hγ、WW、ZZ，可能在约2 TeV处表现为双玻色子共振。
• 当能量达到复合标度 Λ ≈ 1 TeV 时，激发胶球或胶色球预计可通过胶子融合过程大量产生。
• ATLAS观测到的2 TeV双玻色子过量可能由希格斯或弱规范玻色子的首个激发态，或/和激发胶球所解释。
• ATLAS与CMS近期报告的750 GeV双光子过剩，可被解释为1 TeV标度上双玻色子共振中存在内部结构的进一步证据。