Составные модели Хиггса - Composite Higgs models

В физика элементарных частиц, составные модели Хиггса (CHM) являются спекулятивными расширениями Стандартная модель (SM) где бозон Хиггса это связанное состояние новых сильных взаимодействий. Эти сценарии являются моделями физики за пределами СМ, ​​которые в настоящее время проходят испытания в Большой адронный коллайдер (LHC) в Женеве.

Во всех составных моделях Хиггса недавно обнаруженный бозон Хиггса не является элементарная частица (или точечный), но имеет конечный размер, возможно, около 10⁻¹⁸ метров. Этот параметр может быть связан с Шкала Ферми (100 ГэВ), определяющая силу слабые взаимодействия например, в β-распад, но могло быть и значительно меньше. Микроскопически композит Хиггса будет состоять из более мелких компонентов так же, как ядра состоят из протоны и нейтроны.

История

CHM, часто называемые «естественными» составными моделями Хиггса, представляют собой конструкции, которые пытаются облегчить проблему тонкой настройки или «естественности» Стандартной модели.^[1]Обычно они создают бозон Хиггса как естественный свет. псевдогольдстоуновский бозон или поле Намбу-Голдстоуна по аналогии с пионом (точнее, как K-мезоны) в КХД. Эти идеи были предложены Георгием и Капланом.^[2] как умный^{[согласно кому? ]} вариация на разноцветный теории, допускающие наличие физического бозона Хиггса малой массы. Маленький Хиггс теории.

Параллельно с этим ранние составные модели Хиггса возникли из тяжелого топ-кварка и его ренормализационной группы. инфракрасная фиксированная точка, что означает сильную связь Хиггса с топ-кварками при высоких энергиях, что легло в основу конденсация верхних кварков теории нарушения электрослабой симметрии, в которых бозон Хиггса составлен при очень сильно шкалы коротких расстояний, состоящие из пары топ-кварков и анти-топ-кварков. Это было описано Ёитиро Намбу и впоследствии разработан Миранским, Танабаши и Ямаваки ^[3][4]и Бардин, Хилл и Линднер,^[5]кто связал теорию с ренормгруппа и улучшил свои прогнозы. Хотя эти идеи все еще убедительны, они страдают "проблемой естественности", большой степенью тонкой настройки.

Чтобы решить проблему с тонкой настройкой, Чивукула, Добреску, Георги и Хилл^[6] представила модель «Top See-Saw», в которой общий масштаб уменьшен до нескольких ТэВ (триллион электрон-вольт, шкала энергии LHC ). Более поздняя версия модели Добреску и Ченга Top Seesaw имеет приемлемый легкий составной бозон Хиггса.^[7]Модели Top Seesaw имеют красивую геометрическую интерпретацию в теории дополнительных измерений, которую легче всего увидеть через размерная деконструкция (последний подход устраняет технические детали геометрии дополнительного пространственного измерения и дает переномализируемую теорию поля D-4). Эти схемы также предполагают "частичную композицию". Эти модели обсуждаются в обширном обзоре сильных динамических теорий Хилла и Симмонса.^[8]

CHM обычно предсказывают новые частицы с массой около ТэВ (или десятков ТэВ, как в Маленький Хиггс схемы), которые возбуждения или ингредиенты составного Хиггса, аналогичные резонансам в ядерная физика. Новые частицы могут быть произведены и обнаружены в экспериментах на коллайдере, если энергия столкновения превышает их массу, или могут вызвать отклонения от предсказаний СМ в «наблюдаемых с низкой энергией» - результатах экспериментов при более низких энергиях. В наиболее убедительных сценариях каждая частица Стандартной модели имеет партнера с равными квантовыми числами, но с большей массой. Например, фотон, W- и Z-бозоны имеют тяжелые копии с массой, определяемой шкалой составности, ожидаемой около 1 ТэВ. Хотя естественность требует, чтобы существовали новые частицы с массой около ТэВ, которые могут быть обнаружены на LHC или будущих экспериментах, тем не менее, по состоянию на 2018 год нет прямых или косвенных признаков того, что Хиггс или другие частицы SM являются составными.

От LHC Открытие 2012 г., известно, что существует физический бозон Хиггса (слабый изодублет), который конденсируется, нарушая электрослабая симметрия. Это отличается от предсказаний обычных цветных теорий, в которых новая сильная динамика напрямую нарушает электрослабую симметрию без необходимости в физическом бозоне Хиггса.

CHM, предложенный Георгием и Капланом, был основан на известных калибровочная теория динамика, которая производит дублет Хиггса как Бозон Голдстоуна. Позже было понято, как и в случае описанных выше моделей Top Seesaw, что это может естественным образом возникнуть в пятимерных теориях, таких как Рэндалл – Сундрам сценарий или по размерная деконструкция. Эти сценарии также могут быть реализованы в гипотетических сильно связанных конформные теории поля (CFT) и AdS-CFT переписка. Это стимулировало деятельность в этой области. Сначала Хиггс был общим скалярным связанным состоянием. Во влиятельных^{[согласно кому? ]} работай^[9] Хиггс как бозон Голдстоуна был реализован в CFT. Детальные феноменологические исследования показали, что в этих рамках согласие с экспериментальными данными может быть получено с умеренным настройка параметров.

Модели CHM

CHM можно охарактеризовать массой (m) самых легких новых частиц и их взаимодействием (g). Предполагается, что последние будут больше, чем муфты SM для согласованности. Существуют различные реализации CHM, которые различаются механизмом генерации дублета Хиггса. В общих чертах их можно разделить на две категории:

1. Хиггс - это общее связанное состояние сильной динамики.
2. Хиггс - бозон Голдстоуна со спонтанным нарушением симметрии^[10][11]

В обоих случаях электрослабая симметрия нарушается конденсация скалярного дублета Хиггса. В сценариях первого типа нет априорной причины, по которой бозон Хиггса легче других составных состояний, и, кроме того, ожидаются большие отклонения от СМ.

Хиггс как бозон Голдстоуна

По сути, это Маленький Хиггс В этом сценарии существование бозона Хиггса следует из симметрий теории. Это позволяет объяснить, почему эта частица легче остальных составных частиц, масса которых, как ожидается, в результате прямых и косвенных испытаний будет около ТэВ или выше. Предполагается, что составной сектор имеет глобальную симметрию G самопроизвольно сломанный в подгруппу H, где G и H компактны Группы Ли. Вопреки разноцветный модели с ненарушенной симметрией должны содержать электрослабую группу СМ SU (2) xU (1). В соответствии с Теорема Голдстоуна спонтанное нарушение глобальной симметрии порождает безмассовые скалярные частицы, известные как Бозоны Голдстоуна. Правильно выбрав глобальные симметрии возможны голдстоуновские бозоны, соответствующие дублету Хиггса в СМ. Это можно сделать разными способами.^[12] и полностью определяется симметриями. Особенно теория групп определяет квантовые числа бозонов Голдстоуна. Из разложения присоединенного представления находим

${\displaystyle {\rm {{Adj}[G]={\rm {Adj}}[H]+{\rm {R}}[\Pi ]}}}$,

где R [Π] - представление бозонов Голдстоуна под действием H. Феноменологический запрос на существование дублета Хиггса выбирает возможные симметрии. Типичный пример - выкройка

${\displaystyle {\frac {SO(5)}{SU(2)_{L}\times SU(2)_{R}}}\rightarrow GB=(2,2)}$

который содержит одиночный дублет Хиггса в виде бозона Голдстоуна.

Физика Хиггса как бозона Голдстоуна сильно ограничена симметриями и определяется масштабом нарушения симметрии f, который контролирует их взаимодействия. Существует приблизительная связь между массой и связью составных состояний:${\displaystyle M=gf}$В ЧМ обнаруживается, что отклонения от СМ пропорциональны

${\displaystyle \xi ={\frac {v^{2}}{f^{2}}}}$,

где v = 246 ГэВ - электрослабый ожидаемое значение вакуума. По построению эти модели аппроксимируют СМ с произвольной точностью, если ξ достаточно мало. Например, для модели выше с глобальной симметрией SO (5) связь бозонов Хиггса с W и Z модифицируется как

${\displaystyle {\frac {h_{VV}}{h_{VV}^{SM}}}\approx 1-{\frac {\xi }{2}}}$.

Феноменологические исследования предполагают, что f> 1 ТэВ и, следовательно, по крайней мере в несколько раз больше, чем v. Однако настройка параметров, необходимых для достижения v

Бозоны Голдстоуна, порожденные спонтанным нарушением точной глобальной симметрии, точно безмассовый. Следовательно, если бозон Хиггса является бозоном Голдстоуна, глобальная симметрия не может быть точной. В CHM потенциал Хиггса генерируется эффектами, которые явно нарушают глобальную симметрию G. Как минимум, это SM Юкава и калибровочные связи, которые не могут соблюдать глобальную симметрию, но могут существовать и другие эффекты. В верх ожидается, что связь будет давать доминирующий вклад в потенциал Хиггса, поскольку это самая большая связь в СМ. В простейших моделях обнаруживается корреляция между массой Хиггса и массой M верхних партнеров:^[13]

${\displaystyle m_{h}^{2}\sim {\frac {3}{2\pi ^{2}}}{\frac {M^{2}}{f^{2}}}v^{2}}$

В моделях с f ~ ТэВ, как следует из естественности, это указывает на фермионные резонансы с массой около 1 ТэВ. Ожидается, что резонансы спин-1 будут несколько тяжелее. Это в пределах досягаемости будущих экспериментов на коллайдерах.

Частичная композитность

Одним из ингредиентов современного ЧМ является гипотеза частичной композитности, предложенная Д. Б. Капланом.^[14] Это похоже на (деконструированное) дополнительное измерение, в котором каждая частица СМ имеет тяжелого партнера (ов), который может смешиваться с ней. На практике частицы СМ представляют собой линейные комбинации элементарных и составных состояний:

${\displaystyle |SM\rangle =\cos {\alpha }|El\rangle +\sin {\alpha }|Co\rangle }$

где α обозначает угол смешивания. Частичная композитность естественным образом реализуется в калибровочном секторе, где происходит аналогичное явление. квантовая хромодинамика и известен как фотон –ρ смешивание. Для фермионов это предположение, в частности, требует существования тяжелых фермионов с квантовыми числами, равными SM. кварки и лептоны. Они взаимодействуют с Хиггсом посредством перемешивания. Схематично находим формулу для масс фермионов СМ:

${\displaystyle {\frac {m_{f}}{v}}\approx \sin \alpha _{L}\cdot Y\cdot \sin \alpha _{R}}$,

где L и R относятся к левому и правому смешиванию, а Y - соединение составного сектора.

Составные частицы являются мультиплетами ненарушенной симметрии H. По феноменологическим причинам они должны содержать охранную симметрию SU (2) xSU (2), расширяющую электрослабую симметрию SU (2) xU (1). Составные фермионы часто принадлежат представления больше, чем частицы СМ. Например, сильно мотивированным представлением для левых фермионов является (2,2), которое содержит частицы с экзотическим электрическим зарядом 5/3 или –4/3 со специальными экспериментальными сигнатурами.

Частичная композитность улучшает феноменологию CHM, обеспечивая логику, почему до сих пор не было измерено никаких отклонений от SM. В так называемых анархических сценариях иерархии масс фермионов СМ генерируются через иерархии смесей и анархических соединений составных секторов. Легкие фермионы почти элементарны, тогда как третье поколение является сильно или полностью составным. Это приводит к структурному подавлению всех эффектов, которые затрагивают первые два поколения, которые измеряются наиболее точно. В частности, подавляются переходы ароматов и поправки к электрослабым наблюдаемым. Возможны и другие сценарии^[15] с разной феноменологией.

Эксперименты

Основные экспериментальные сигнатуры CHM:

1. Новые тяжелые партнеры частиц Стандартной модели с квантовыми числами и массами СМ около ТэВ
2. Модифицированные муфты SM
3. Новые взносы в вкус наблюдаемые

Суперсимметричные модели также предсказывают, что каждая частица Стандартной модели будет иметь более тяжелого партнера. Однако в суперсимметрии партнеры имеют другое вращение: они бозоны, если частица СМ является фермионом, и наоборот. В составных моделях Хиггса партнеры имеют тот же спин, что и частицы СМ.

Все отклонения от СМ контролируются параметром настройки ξ. Смешивание частиц СМ определяет взаимодействие с известными частицами СМ. Подробная феноменология сильно зависит от предположений о вкусе и, в общем, зависит от модели. Хиггс и топ-кварк обычно имеют наибольшее взаимодействие с новыми частицами. По этой причине третий поколение партнеров легче всего производить, а топовая физика имеет самые большие отклонения от СМ. Лучшие партнеры также имеют особое значение, учитывая их роль в естественности теории.

После первого запуска LHC прямые экспериментальные поиски исключают фермионные резонансы третьего поколения до 800 ГэВ.^[16][17] Границы глюонных резонансов лежат в диапазоне нескольких ТэВ.^[18][19] и несколько более слабые оценки существуют для электрослабых резонансов.

Отклонения от SM-связей пропорциональны степени составности частиц. По этой причине наибольшие отклонения от предсказаний СМ ожидаются для кварков третьего поколения и связей Хиггса. Первые были измерены с точностью до промилле LEP эксперимент. После первого запуска LHC связи Хиггса с фермионами и калибровочными бозонами согласуются с SM с точностью около 20%. Эти результаты создают некоторую напряженность для CHM, но совместимы со шкалой композитности f ~ ТэВ.

Гипотеза частичной композитности позволяет подавить нарушение вкуса за пределами СМ, ​​что строго ограничено экспериментально. Тем не менее, в анархических сценариях значительные отклонения от прогнозов СМ существуют в нескольких наблюдаемых. Особенно ограничен Нарушение CP в Каон система и нарушение лептонного аромата, например, редкий распад μ-> eγ. Общая физика аромата предлагает сильнейшие косвенные ограничения на анархические сценарии. Этого напряжения можно избежать с помощью различных предположений о вкусе.

Резюме

Природа бозона Хиггса остается загадкой. С философской точки зрения бозон Хиггса - это либо составное состояние, построенное из более фундаментальных составляющих, либо оно связано с другими состояниями в природе посредством симметрии, такой как суперсимметрия (или некая смесь этих концепций). Пока нет никаких доказательств ни композиционности, ни суперсимметрии. То, что природа обеспечивает единое (слабое изодублетное) скалярное поле для генерации массы, по-видимому, несовместимо со здравым смыслом. Мы не знаем, в каком масштабе масса / энергия будет обнаружена дополнительная информация о бозоне Хиггса, которая может пролить свет на эти проблемы. Хотя теоретики будут по-прежнему заняты придумыванием объяснений, это представляет собой серьезную проблему для физики элементарных частиц, поскольку у нас нет четкого представления о том, смогут ли ускорители когда-либо предоставить новую полезную информацию, помимо стандартной модели. Важно, чтобы LHC двигайтесь вперед, улучшая яркость и энергию в поисках новых подсказок.

Рекомендации

1. Г. Ф. Джудиче, Естественность после LHC8, PoS EPS HEP2013, 163 (2013)
2. М. Дж. Дуган, Х. Георги и Д. Б. Каплан, Анатомия составной модели Хиггса, Nucl. Phys. B254, 299 (1985).
3. Миранский, Владимир А .; Танабаши, Масахару; Ямаваки, Коичи (1989). «Динамическое нарушение электрослабой симметрии с большой аномальной размерностью и t-кварковый конденсат». Phys. Lett. B. 221 (177): 177. Bibcode:1989ФЛБ..221..177М. Дои:10.1016/0370-2693(89)91494-9.
4. Миранский, Владимир А .; Танабаши, Масахару; Ямаваки, Коичи (1989). «Ответственен ли t-кварк за массу W- и Z-бозонов?». Буквы A по современной физике. 4 (11): 1043. Bibcode:1989MPLA .... 4.1043M. Дои:10.1142 / S0217732389001210.
5. Bardeen, William A .; Хилл, Кристофер Т. и Линднер, Манфред (1990). «Минимальное динамическое нарушение симметрии стандартной модели». Физический обзор D. 41 (5): 1647–1660. Bibcode:1990ПхРвД..41.1647Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.41.1647. PMID  10012522.
6. Чивукула, Р. Сехар; Добреску, Богдан; Джорджи, Ховард и Хилл, Кристофер Т. (1999). "Топ-кварковая качели теория нарушения электрослабой симметрии". Физический обзор D. 59 (5): 075003. arXiv:hep-ph / 9809470. Bibcode:1999ПхРвД..59г5003С. Дои:10.1103 / PhysRevD.59.075003. S2CID  14908326.
7. Ченг, Синь-Чиа; Добреску, Богдан А .; Гу, Цзяин (2014). "Масса Хиггса из составности в масштабе нескольких ТэВ". JHEP. 2014 (8): 095. arXiv:1311.5928. Bibcode:2014JHEP ... 08..000C. Дои:10.1007 / JHEP08 (2014) 095.
8. Хилл, Кристофер Т .; Симмонс, Элизабет Х. (2003). «Сильная динамика и нарушение электрослабой симметрии». Phys. Представитель. 381 (4–6): 235. arXiv:hep-ph / 0203079. Bibcode:2003ФР ... 381..235Ч. Дои:10.1016 / S0370-1573 (03) 00140-6. S2CID  118933166.
9. К. Агаше, Р. Контино и А. Помароль, "Минимальная составная модель Хиггса", Nucl. Phys. B719, 165 (2005)
10. Р. Контино, Хиггс как составной бозон Намбу-Голдстоуна
11. М. Реди
12. J. Mrazek, A. Pomarol, R. Rattazzi, M. Redi, J. Serra и A. Wulzer, Другая естественная модель двух дублетов Хиггса, Nucl. Phys. B853, 1 (2011) https://arxiv.org/abs/1105.5403.
13. М. Реди и А. Теси, Влияние легкого Хиггса на составные модели, JHEP 1210, 166 (2012) https://arxiv.org/abs/1205.0232.
14. Д. Б. Каплан, Вкус при энергиях SSC: новый механизм для динамически генерируемых масс фермионов, Nucl. Phys. В 365, 259 (1991).
15. М. Реди и А. Вейлер, Вкус и CP-инвариантные составные модели Хиггса, JHEP 1111, 108 (2011)
16. АТЛАС, https://cds.cern.ch/record/1557777/files/ATLAS-CONF-2013-060.pdf
17. CMS, https://cds.cern.ch/record/1524087/files/B2G-12-012-pas.pdf
18. АТЛАС, https://cds.cern.ch/record/1547568/files/ATLAS-CONF-2013-052.pdf
19. CMS, https://cds.cern.ch/record/1545285/files/B2G-12-005-pas.pdf