[论文解读] Sigma-assisted natural composite Higgs

Diogo Buarque Franzosi, Giacomo Cacciapaglia+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 43被引用 12

一句话总结

本文提出，在低尺度复合希格斯模型中，一个轻量级标量共振态（$σ$）与复合希格斯玻色子混合，可缓解通常的层次问题约束，使组成标度 $f \gtrsim 400$ GeV 且混角 $s_\theta \lesssim 0.6$ 成为可能，这与通常的 $s_\theta \lesssim 0.2$ 限制相反。该机制自然地出现在具有近共形相的行走/动态翘曲模型中，且 $σ$ 状态可通过 $ZZ$ 和 $t\bar{t}$ 衰变道在大型强子对撞机（LHC）上检验。

ABSTRACT

We show that the presence of a lightish scalar resonance, $σ$, that mixes with the composite Goldstone-Higgs boson can relax the typical bounds found in this class of models. This mechanism, inbred in models with a walking dynamics above the condensation scale, allows for a low compositeness scale $f \gtrsim 400$ GeV, corresponding to a misalignment angle $\sinθ\lesssim 0.6$, contrary to the common lore of a smaller angle. According to recent lattice results, the light $σ$ emerges thanks to a near-conformal phase above the condensation scale, consistent to the requirements from flavour physics. We study this effect in a general way, showing that it appears in all cosets emerging from an underlying gauge-fermion dynamics, in the presence of top partial compositeness. The scenario is testable both on the Lattice and experimentally, as it requires the presence of a second broad Higgs-like resonance, below 1 TeV, that can be revealed at the LHC in the $ZZ$ and $t\bar{t}$ channels.

研究动机与目标

• 为解决复合戈戈莱斯-希格斯模型中的“小层次问题”，即由于对角 $S$ 和 $T$ 参数，组成标度 $f$ 通常远大于电弱标度 $v$。
• 研究是否存在一个与希格斯玻色子混合的轻量级标量共振态 ($σ$)，可缓解低 $f$ 与电弱精确观测量（EWPOs）实验约束之间的张力。
• 证明此类 $σ$ 状态自然地出现在凝聚标度之上的行走或近共形动力学模型中，且与格点量子色动力学（QCD）结果一致。
• 表明该模型在 $f \gtrsim 400$ GeV 且 $s_\theta \lesssim 0.6$ 条件下依然可行，挑战了传统认为 $s_\theta \lesssim 0.2$ 为必需的观念。
• 识别出通过 $ZZ$ 和 $t\bar{t}$ 衰变模式探测 $σ$ 状态的可行 LHC 信号通道，以实现实验验证。

提出的方法

• 作者构建了一个通用有效拉格朗日量，描述强规范-费米子动力学产生的共形空间中，复合希格斯玻色子（pNGB）与轻量级标量共振态 ($σ$) 的混合。
• 他们引入顶夸克的部分组成性及一个混角 $θ$ 以参数化真空混叠，其中 $v = f s_\theta$。
• 该模型包含矢量和轴矢量共振态，SM 规范玻色子与这些共振态之间的混合由参数 $r$ 控制，该参数调控对角 $S$ 和 $T$ 参数。
• 通过对 $W^\pm$、$Z$ 和光子场的混合质量矩阵计算对角参数 $S$ 和 $T$，使用标准的 $\Pi_{WW}$、$\Pi_{33}$、$\Pi_{3B}$ 和 $\Pi_{BB}$ 自能函数。
• $σ$ 状态被引入为质量与耦合由底层动力学决定的标量共振态，无需微调，其与希格斯玻色子的混合通过标量 sector 中的混合角处理。
• 利用格点 QCD 和全息模型，证明在近共形理论中存在此类轻量级 $σ$ 状态，特别是在行走区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在复合希格斯模型中，一个与希格斯玻色子混合的轻量级标量共振态 ($σ$) 是否能放松通常对组成标度 $f$ 的下限约束？
• RQ2 若存在 $σ$ 共振态，是否可在保持与电弱精确观测量（EWPOs）一致的前提下，使混角 $s_\theta \lesssim 0.6$？
• RQ3 该 $σ$ 状态是否自然地出现在凝聚标度之上的行走或近共形相模型中，如近期格点结果所示？
• RQ4 $σ$ 共振态是否可通过 $ZZ$ 和 $t\bar{t}$ 衰变道在 LHC 上被发现，其信号强度要求为何？
• RQ5 当引入 $σ$-希格斯混合时，$S$ 和 $T$ 参数约束在低组成标度下是否依然稳健？

主要发现

• 存在一个与希格斯玻色子混合的轻量级 $σ$ 共振态，可使组成标度低至 $f \gtrsim 400$ GeV，显著放松了通常要求的 $f \gtrsim 1.2$ TeV 的下限。
• 混角可大至 $s_\theta \lesssim 0.6$，与观测到的希格斯玻色子质量 $m_h \approx 125$ GeV 兼容，挑战了传统认为 $s_\theta \lesssim 0.2$ 为必需的观念。
• $σ$ 状态自然地出现在凝聚标度之上的行走或近共形相模型中，与近期格点 QCD 结果一致，后者显示此类理论中存在轻量级标量共振态。
• 即使在低 $f$ 条件下，由于 $σ$-希格斯混合的稳定作用，对角 $S$ 和 $T$ 参数仍保持在实验约束范围内，且对典型参数值，$S$-$T$ 平面中仍存在稳定区域。
• $σ$ 共振态可通过 $ZZ$ 和 $t\bar{t}$ 衰变道在 LHC 上被搜索，当 $m_\sigma \lesssim 1$ TeV 时，其信号强度可能被探测到。
• 该模型在不同共形结构（如 $Sp(N)/Sp(N-2)\times U(1)$、$SO(N)/SO(N-2)\times U(1)$）下均表现稳健，$S$ 和 $T$ 参数修正相同，表明存在一种普遍机制。