[论文解读] Phenomenology of heavy fermion and vector resonances in composite Higgs models

Natascia Vignaroli|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了包含重费米子和矢量共振态的复合希格斯模型（CHMs），重点关注味物理约束与大型强子对撞机（LHC）的发现潜力。通过双位点有效拉格朗日量，本文从 $b\to s\gamma$ 衰变中推导出重费米子质量的味无关约束，并提出 $G^*$ 与重费米子可通过 $G^* \to t' \bar{b}$ 和 $t' \to Wb$ 衰变通道在LHC上早期被发现，且可通过不变质量重建提取顶夸克的复合性程度。

ABSTRACT

In this project we study the phenomenology of models where the Higgs is a bound state of a strongly interacting dynamics at the TeV scale and we assess the LHC potential to discover new heavy colored states. In the first part of the thesis we analyze the bounds on the spectrum of Composite Higgs Models (CHM) that come from flavor observables. In the second part we propose a novel strategy to discover a heavy gluon ($G^*$) and heavy fermions at the LHC. We do so by means of simple two-site effective Lagrangians, which could also be used in further phenomenological studies on CHM. From the analysis of the bounds on the CHM spectrum, we derive an important constraint on the masses of the heavy fermions which does not depend on the flavor structure of the sector beyond the SM. This bound is obtained from the infrared contribution to $b o sγ$ induced by the flavor-conserving effective vertex $Wt_Rb_R$. We find that the presence of a custodial symmetry can play a role in protecting this effective coupling. Studying the heavy colored vectors phenomenology, we find that heavy composite fermions have a great impact on the phenomenology of heavy composite gluon at the LHC. If the composite gluon is heavier than the composite fermions, as flavor observables seem to suggest, the search in the channels where $G^*$ decays into one heavy fermion plus its Standard Model partner is very promising, with the possibility for both the $G^*$ and heavy fermions to be discovered at the early stage of the LHC. These channels offer also the possibility to extract important information on model's parameters, such as the top degree of compositeness.

研究动机与目标

• 评估大型强子对撞机（LHC）在复合希格斯模型（CHMs）中发现新重色态（特别是重费米子与一个重胶子 $G^*$）的潜力。
• 利用 $b\to s\gamma$ 衰变，从 $Wt_Rb_R$ 有效顶点的红外贡献出发，推导出重费米子质量的味无关约束。
• 基于 $G^* \to t' \bar{b}$ 和 $t' \to Wb$ 衰变链，提出一种新颖的LHC搜索策略以发现 $G^*$ 与重费米子。
• 证明可通过 $Wtb$ 最终态中的不变质量重建，提取顶夸克的复合性程度。

提出的方法

• 构建双位点有效拉格朗日量（TS5 与 TS10），以描述复合希格斯模型中 $G^*$、重费米子与希格斯场的相互作用。
• 通过红外与紫外贡献计算 $Wt_Rb_R$ 有效耦合，使用小混合参数 $x \sim Y_*v/\sqrt{2}m_*$ 的微扰对角化方法。
• 评估 $G^*$ 的产生截面与分支比，重点关注 $G^* \to t' \bar{b}$ 与 $t' \to Wb$ 衰变通道。
• 对 $Wtb$ 最终态进行信号与背景模拟，应用接受度截断与不变质量重建，以分离 $G^*$ 与 $t'$ 共振态。
• 利用 $Wtb$ 通道重建 $t'$ 与 $G^*$ 的质量，从而实现顶夸克复合性参数的提取。
• 分析CHM参数空间中的发现可达性，识别出早期LHC发现的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 复合希格斯模型谱的味物理约束是什么，特别是来自 $b\to s\gamma$ 的约束？
• RQ2 由红外动力学诱导的味守恒有效耦合 $Wt_Rb_R$ 是否能对重费米子质量施加与味结构无关的普遍约束？
• RQ3 规范对称性保护机制如何在CHMs中保护 $Wt_Rb_R$ 耦合？
• RQ4 发现重胶子 ($G^*$) 及其关联重费米子的最优LHC搜索策略是什么？
• RQ5 能否通过 $Wtb$ 最终态中 $G^*$ 与 $t'$ 共振态的重建，提取顶夸克的复合性程度？

主要发现

• 由 $b\to s\gamma$ 的红外贡献导出的重费米子质量存在味无关约束，若无规范对称性保护，该约束约为 $m_{t_R} \lesssim 1.5\,\text{TeV}$。
• $Wt_Rb_R$ 有效耦合受 $P_C$ 对称性保护，从而抑制来自 $t_R$-双线性顶点的大幅贡献。
• 若 $m_{G^*} > m_{t'}$，则 $G^* \to t' \bar{b}$ 衰变通道极具潜力，可在早期LHC中实现发现，该结果与味物理约束一致。
• $Wtb$ 最终态可成功重建 $G^*$ 与 $t'$ 共振态，从而实现顶夸克复合性参数的提取。
• $G^* \to \psi\chi$ 衰变通道提供了互补的发现途径，经截断后具有显著的信背比。
• 分析表明，若 $m_{G^*} > m_{t'}$，则 $G^*$ 与重费米子可在早期LHC中被发现，其发现可达性可延伸至 $m_{G^*} \sim 2.5\,\text{TeV}$ 与 $m_{t'} \sim 1.5\,\text{TeV}$。