Kompozit Higgs modelleri - Composite Higgs models

İçinde parçacık fiziği, kompozit Higgs modelleri (CHM) spekülatif uzantılarıdır. Standart Model (SM) nerede Higgs bozonu bir Bağlı devlet yeni güçlü etkileşimler. Bu senaryolar, şu anda şu anda test edilen SM'nin ötesinde fizik için modellerdir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) Cenevre'de.

Yakın zamanda keşfedilen tüm bileşik Higgs modellerinde Higgs bozonu değil temel parçacık (veya nokta benzeri) ancak sınırlı boyuta sahip, belki 10 civarında−18 metre. Bu boyut aşağıdakilerle ilgili olabilir: Fermi ölçeği Kuvvetini belirleyen (100 GeV) zayıf etkileşimler olduğu gibi β-çürüme, ancak önemli ölçüde daha küçük olabilir. Mikroskobik olarak kompozit Higgs, çekirdeklerin yapıldığı gibi daha küçük bileşenlerden yapılacaktır. protonlar ve nötronlar.

Tarih

Çoğunlukla "doğal" kompozit Higgs modelleri olarak adlandırılan CHM'ler, Standart Modelin ince ayarını veya "doğallık" problemini hafifletmeye çalışan yapılardır.[1]Bunlar genellikle Higgs bozonunu doğal ışık olarak tasarlar. sözde Goldstone bozonu veya Nambu-Goldstone alanı, QCD'deki pion'a (veya daha doğrusu K-mezonları gibi) benzer şekilde. Bu fikirler Georgi ve Kaplan tarafından tanıtıldı[2] zeki olarak[kime göre? ] varyasyon teknik renkli Fiziksel düşük kütleli Higgs bozonunun varlığına izin veren teoriler. Küçük Higgs teoriler.

Buna paralel olarak, ilk bileşik Higgs modelleri, ağır üst kuarktan ve onun yeniden normalleştirme grubundan ortaya çıktı. kızılötesi sabit nokta Higgs'in en yüksek kuarklara yüksek enerjilerde güçlü bir şekilde bağlanması anlamına gelir. üst kuark yoğunlaşması Higgs bozonunun kompozit olduğu elektrozayıf simetri kırılma teorileri son derece bir çift üst ve üst kuarktan oluşan kısa mesafe ölçekler. Bu, tarafından tanımlanmıştır Yoichiro Nambu ve daha sonra Miransky, Tanabashi ve Yamawaki tarafından geliştirildi [3][4]ve Bardeen, Hill ve Lindner,[5]teoriyi kim bağladı renormalizasyon grubu ve öngörülerini geliştirdi. Bu fikirler hala zorlayıcı olmakla birlikte, bir "doğallık sorunu" ndan, büyük ölçüde ince ayarlardan muzdariptirler.

İnce ayar sorununu çözmek için, Chivukula, Dobrescu, Georgi ve Hill[6] kompozit ölçeğin birkaç TeV'ye (trilyon elektron volt, enerji ölçeği, LHC ). Dobrescu ve Cheng'in En İyi Tahterevalli modelinin daha yeni bir versiyonu kabul edilebilir hafif bir kompozit Higgs bozonuna sahiptir.[7]En iyi Tahterevalli modelleri, ekstra boyut teorilerinde güzel bir geometrik yoruma sahiptir; boyutsal yapıbozum (ikinci yaklaşım, ekstra uzaysal boyutun geometrisinin teknik ayrıntılarını ortadan kaldırır ve yeniden sıralanabilir bir D-4 alan teorisi verir). Bu şemalar aynı zamanda "kısmi birleşikliği" de öngörmektedir. Bu modeller, Hill ve Simmons'ın güçlü dinamik teorilerinin kapsamlı incelemesinde tartışılmaktadır.[8]

CHM'ler tipik olarak bir TeV etrafında kütleye sahip yeni parçacıkları (veya Küçük Higgs şemalar) bunlar heyecan veya kompozit Higgs'in bileşenleri, içindeki rezonanslara benzer nükleer Fizik. Yeni parçacıklar, çarpışmanın enerjisi kütlelerini aşarsa veya düşük enerjili deneylerin sonuçları olan "düşük enerjili gözlemlenebilirler" deki SM tahminlerinden sapmalara neden olursa çarpıştırıcı deneylerinde üretilebilir ve tespit edilebilir. En zorlayıcı senaryolarda, her Standart Model parçacığının eşit kuantum sayılarına ancak daha ağır kütleye sahip bir ortağı vardır. Örneğin, foton, W ve Z bozonları 1 TeV civarında beklenen, bileşiklik ölçeği tarafından belirlenen kütleye sahip ağır kopyalara sahiptir. Doğallık, LHC'de veya gelecekteki deneylerde keşfedilebilecek bir TeV etrafında kütleye sahip yeni parçacıkların bulunmasını gerektirse de, yine de 2018'den itibaren, Higgs veya diğer SM parçacıkları kompozit tespit edildi.

İtibaren LHC 2012'nin keşfinde, fiziksel bir Higgs bozonunun (zayıf bir izo-ikilisi) var olduğu biliniyor. elektro-zayıf simetri. Bu, yeni güçlü dinamiklerin fiziksel bir Higgs bozonuna ihtiyaç duymadan elektro-zayıf simetriyi doğrudan kırdığı sıradan teknik teorilerden farklıdır.

Georgi ve Kaplan tarafından önerilen CHM, bilinenlere dayanıyordu ayar teorisi Higgs ikilisini üreten dinamikler Goldstone bozonu. Daha sonra, yukarıda açıklanan En İyi Tahterevalli modellerinde olduğu gibi, bunun beş boyutlu teorilerde doğal olarak ortaya çıkabileceği fark edildi. Randall-Sundrum senaryo veya boyutsal yapıbozum. Bu senaryolar, varsayımsal olarak güçlü bir şekilde birleştirilerek de gerçekleştirilebilir. konformal alan teorileri (CFT) ve AdS-CFT yazışmaları. Bu, sahada harekete geçirildi. İlk başta Higgs genel bir skaler bağlı durumdu. Etkili[kime göre? ] iş[9] Higgs bir Goldstone bozonu olarak CFT'lerde gerçekleştirildi. Ayrıntılı fenomenolojik çalışmalar göstermiştir ki bu çerçeve içinde deneysel verilerle anlaşma hafif bir şekilde elde edilebilir. ayarlama parametrelerin.

CHM modelleri

CHM, en hafif yeni parçacıkların kütlesi (m) ve bunların birleşimi (g) ile karakterize edilebilir. İkincisinin tutarlılık için SM bağlantılarından daha büyük olması beklenmektedir. Higgs ikilisini oluşturan mekanizma için farklılık gösteren çeşitli CHM kavrayışları mevcuttur. Genel olarak iki kategoriye ayrılabilirler:

  1. Higgs, güçlü dinamiklerin genel ve bağlı bir halidir.
  2. Higgs, kendiliğinden simetri kırılmasının bir Goldstone bozonudur[10][11]

Her iki durumda da elektro-zayıf simetri, yoğunlaşma Higgs skaler çiftinin. İlk senaryo türünde, Higgs bozonunun diğer bileşik durumlardan daha hafif olmasının ve ayrıca SM'den daha büyük sapmaların beklenmesinin önsel bir nedeni yoktur.

Goldstone bozonu olarak Higgs

Bunlar esasen Küçük Higgs Bu senaryoda Higgs bozonunun varlığı teorinin simetrilerinden kaynaklanır. Bu, bu parçacığın neden kütlesinin doğrudan ve dolaylı testlerden bir TeV civarında veya daha yüksek olması beklenen diğer bileşik parçacıklardan daha hafif olduğunu açıklamayı sağlar. Kompozit sektörünün küresel bir simetriye sahip olduğu varsayılmaktadır G kendiliğinden kırılmış G ve H'nin kompakt olduğu bir H alt grubuna Lie grupları. Aksine teknik renkli kırılmamış simetri modelleri, SM elektro-zayıf grubu SU (2) xU (1) içermelidir. Göre Goldstone teoremi küresel bir simetrinin kendiliğinden kırılması, kütlesiz skaler parçacıklar üretir. Goldstone bozonları. Uygun şekilde seçerek küresel simetriler SM'deki Higgs ikilisine karşılık gelen Goldstone bozonlarına sahip olmak mümkündür. Bu, çeşitli şekillerde yapılabilir[12] ve tamamen simetriler tarafından belirlenir. Özellikle grup teorisi belirler Kuantum sayıları Goldstone bozonlarının. Birleştirilmiş temsilin ayrıştırılmasından biri bulur

,

burada R [Π], Goldstone bozonlarının H altındaki temsilidir. Bir Higgs ikilisinin var olduğu şeklindeki fenomenolojik talep, olası simetrileri seçer. Tipik örnek modeldir

Goldstone bozonu olarak tek bir Higgs ikilisi içerir.

Higgs'in bir Goldstone bozonu olarak fiziği, simetriler tarafından güçlü bir şekilde sınırlandırılmıştır ve etkileşimlerini kontrol eden simetri kırma ölçeği f tarafından belirlenir. Bileşik durumların kütlesi ve kuplajı arasında yaklaşık bir ilişki vardır,CHM'de, SM'den sapmaların orantılı olduğunu bulur.

,

v = 246 GeV, elektro-zayıf vakum beklentisi değeri. Yapım gereği, bu modeller, construction yeterince küçükse, SM'yi keyfi hassasiyete yaklaştırır. Örneğin, SO (5) global simetriye sahip yukarıdaki model için Higgs'in W ve Z bozonlarına bağlanması şu şekilde değiştirilmiştir:

.

Fenomenolojik çalışmalar f> 1 TeV ve dolayısıyla v'den daha büyük bir faktör olduğunu öne sürmektedir. Bununla birlikte, v

Tam bir küresel simetrinin kendiliğinden kırılmasından üretilen Goldstone bozonları kesinlikle kütlesiz. Bu nedenle, Higgs bozonu bir Goldstone bozonu ise, küresel simetri kesin olamaz. CHM'de Higgs potansiyeli, küresel simetri G'yi açıkça bozan etkiler tarafından üretilir. Minimum olarak bunlar, SM Yukawa ve küresel simetriye saygı gösteremeyen ancak başka etkiler de mevcut olabilir. üst SM'deki en büyük bağlantı olduğundan, bağlantının Higgs potansiyeline baskın bir katkı sağlaması bekleniyor. En basit modellerde, Higgs kütlesi ile en iyi ortakların M kütlesi arasında bir korelasyon bulunur,[13]

Doğallığın önerdiği f ~ TeV'li modellerde bu, 1 TeV civarında kütleye sahip fermiyonik rezonansları gösterir. Spin-1 rezonanslarının biraz daha ağır olması bekleniyor. Bu, gelecekteki çarpıştırıcı deneylerinin ulaşabileceği bir yerdedir.

Kısmi bileşiklik

Modern CHM'nin bir bileşeni, D. B. Kaplan tarafından önerilen kısmi birleşiklik hipotezidir.[14] Bu, her SM parçacığının kendisiyle karışabilen ağır bir partner (ler) e sahip olduğu (yapısız) ekstra boyuta benzer. Pratikte SM parçacıkları, temel ve bileşik durumların doğrusal kombinasyonlarıdır:

α, karıştırma açısını belirtir. Kısmi kompozitlik, benzer bir olgunun meydana geldiği gösterge sektöründe doğal olarak gerçekleşir. kuantum kromodinamiği ve olarak bilinir foton –ρ karıştırma. Fermiyonlar için, özellikle SM'ye eşit kuantum sayılarına sahip ağır fermiyonların varlığını gerektirdiği bir varsayımdır. kuarklar ve leptonlar. Bunlar, karıştırma yoluyla Higgs ile etkileşime girer. SM fermiyon kütlelerinin formülünü şematik olarak bulur,

,

burada L ve R, sol ve sağ karışımları ifade eder ve Y, bir kompozit sektör kuplajıdır.

Bileşik parçacıklar, kesintisiz simetri H'nin çoklularıdır. Fenomenolojik nedenlerden ötürü, bu, elektro-zayıf simetri SU (2) xU (1) 'yi uzatan gözetim simetri SU (2) xSU (2) içermelidir. Kompozit fermiyonlar genellikle şunlara aittir: temsiller SM parçacıklarından daha büyük. Örneğin, solak fermiyonlar için güçlü bir motive edilmiş temsil, özel deneysel imzalara sahip 5/3 veya –4/3 egzotik elektrik yüklü parçacıkları içeren (2,2) 'dir.

Kısmi birleşiklik, CHM'nin fenomenolojisini iyileştirerek, şimdiye kadar SM'den hiçbir sapmanın ölçülmediği bir mantık sağlar. Sözde anarşik senaryolarda, SM fermiyon kütlelerinin hiyerarşileri, karışımların ve anarşik bileşik sektör bağlantılarının hiyerarşileri aracılığıyla üretilir. Hafif fermiyonlar neredeyse temeldir, üçüncü nesil ise güçlü veya tamamen kompozittir. Bu, en hassas şekilde ölçülen ilk iki nesli içeren tüm etkilerin yapısal olarak bastırılmasına yol açar. Özellikle elektro-zayıf gözlenebilirlere yapılan tat geçişleri ve düzeltmeleri bastırılır. Diğer senaryolar da mümkündür[15] farklı fenomenoloji ile.

Deneyler

CHM'nin ana deneysel imzaları şunlardır:

  1. SM kuantum sayıları ve bir TeV etrafında kütlelerle Standart Model parçacıklarının yeni ağır ortakları
  2. Değiştirilmiş SM kaplinleri
  3. İçin yeni katkılar lezzet gözlemlenebilirler

Süpersimetrik modeller ayrıca her Standart Model parçacığının daha ağır bir partnere sahip olacağını öngörür. Bununla birlikte, süpersimetride ortakların farklı bir çevirmek: SM parçacığı bir fermiyon ise bozonlardır ve tersine. Kompozit Higgs modellerinde, ortaklar SM parçacıklarıyla aynı dönüşe sahiptir.

SM'den tüm sapmalar, ayar parametresi by tarafından kontrol edilir. SM partiküllerinin karıştırılması, SM'nin bilinen partikülleri ile bağlanmayı belirler. Ayrıntılı fenomenoloji, büyük ölçüde lezzet varsayımlarına bağlıdır ve genel olarak modele bağlıdır. Higgs ve üst kuark tipik olarak yeni parçacıklarla en büyük eşleşmeye sahiptir. Bu nedenle üçüncü nesil Ortaklar, üretimi en kolay olanlardır ve en iyi fizik, SM'den en büyük sapmalara sahiptir. Üst düzey ortaklar ayrıca teorinin doğallığındaki rolleri nedeniyle özel bir öneme sahiptir.

LHC'nin ilk çalışmasından sonra doğrudan deneysel aramalar, 800 GeV'ye kadar üçüncü nesil fermiyonik rezonansları hariç tutar.[16][17] Gluon rezonansları üzerindeki sınırlar multi-TeV aralığında[18][19] ve elektro-zayıf rezonanslar için biraz daha zayıf sınırlar mevcuttur.

SM kaplinlerinden sapmalar, partiküllerin kompozitlik derecesi ile orantılıdır. Bu nedenle, üçüncü nesil kuarklar ve Higgs bağlaşımları için SM tahminlerinden en büyük sapmalar bekleniyor. İlki, mille başına hassasiyetle ölçülmüştür. LEP Deney. LHC'nin ilk çalışmasından sonra, Higgs'in fermiyonlar ve ayar bozonları ile kuplajları,% 20'lik bir hassasiyetle SM ile uyumludur. Bu sonuçlar CHM için bir miktar gerilim ortaya çıkarır, ancak bir kompozitlik ölçeği f ~ TeV ile uyumludur.

Kısmi birleşiklik hipotezi, lezzet ihlali Deneysel olarak ciddi şekilde kısıtlanan SM'nin ötesinde. Bununla birlikte, anarşik senaryolarda, SM tahminlerinden oldukça büyük sapmalar birkaç gözlemlenebilir durumda mevcuttur. Özellikle kısıtlı olan CP ihlali içinde Kaon sistem ve lepton lezzet ihlali, örneğin nadir bozunma μ-> eγ. Genel lezzet fiziği, anarşik senaryolarda en güçlü dolaylı sınırları önerir. Bu gerilim, farklı lezzet varsayımları ile önlenebilir.

Özet

Higgs bozonunun doğası bir muamma olmaya devam ediyor. Felsefi olarak, Higgs bozonu ya daha temel bileşenlerden oluşan birleşik bir durumdur ya da doğadaki diğer durumlara aşağıdaki gibi bir simetri ile bağlıdır: süpersimetri (veya bu kavramların bazı karışımları) Şimdiye kadar ne bileşiklik ne de süper simetri kanıtı yok. Doğanın kütle oluşturmak için tek bir (zayıf izo çiftli) skaler alan sağlaması görünüşte sağduyu ile uyumsuz görünüyor. Higgs bozonu hakkında hangi kütle / enerji ölçeğinde ek bilgilerin bu konulara ışık tutacağı hakkında hiçbir fikrimiz yok. Kuramcılar açıklamalar uydurmakla meşgul olmaya devam ederken, hızlandırıcıların standart modelin ötesinde yeni yararlı bilgiler sağlayıp sağlamayacağına dair net bir fikrimiz olmadığından, bu parçacık fiziğine büyük bir meydan okumadır. Önemli LHC yeni ipuçlarını bulmak için parlaklık ve enerjideki yükseltmelerle ilerleyin.

Referanslar

  1. ^ G. F. Giudice, LHC8'den sonra doğallık, PoS EPS HEP2013, 163 (2013)
  2. ^ M. J. Dugan, H. Georgi ve D. B.Kaplan, Kompozit Higgs Modelinin Anatomisi, Nucl. Phys. B254, 299 (1985).
  3. ^ Miransky, Vladimir A .; Tanabashi, Masaharu; Yamawaki, Koichi (1989). "Büyük anormal boyut ve kuark yoğunlaşması ile dinamik elektro-zayıf simetri kırılması". Phys. Lett. B. 221 (177): 177. Bibcode:1989PhLB..221..177M. doi:10.1016/0370-2693(89)91494-9.
  4. ^ Miransky, Vladimir A .; Tanabashi, Masaharu; Yamawaki, Koichi (1989). "T kuark W ve Z bozonlarının kütlesinden sorumlu mu?". Modern Fizik Harfleri A. 4 (11): 1043. Bibcode:1989MPLA .... 4.1043M. doi:10.1142 / S0217732389001210.
  5. ^ Bardeen, William A .; Hill, Christopher T. ve Lindner, Manfred (1990). "Standart modelin minimum dinamik simetri kırılması". Fiziksel İnceleme D. 41 (5): 1647–1660. Bibcode:1990PhRvD..41.1647B. doi:10.1103 / PhysRevD.41.1647. PMID  10012522.
  6. ^ Chivukula, R. Sekhar; Dobrescu, Bogdan; Georgi, Howard & Hill, Christopher T. (1999). "En İyi Kuark Tahterevalli Elektrik Zayıf Simetri Kırılmasının Teorisi". Fiziksel İnceleme D. 59 (5): 075003. arXiv:hep-ph / 9809470. Bibcode:1999PhRvD..59g5003C. doi:10.1103 / PhysRevD.59.075003. S2CID  14908326.
  7. ^ Cheng, Hsin-Chia; Dobrescu, Bogdan A .; Gu Jiayin (2014). "Çok TeV Ölçeğinde Kompozitlikten Higgs Kütlesi". JHEP. 2014 (8): 095. arXiv:1311.5928. Bibcode:2014JHEP ... 08..000C. doi:10.1007 / JHEP08 (2014) 095.
  8. ^ Hill, Christopher T .; Simmons, Elizabeth H. (2003). "Güçlü dinamikler ve elektro zayıf simetri kırılması". Phys. Rep. 381 (4–6): 235. arXiv:hep-ph / 0203079. Bibcode:2003PhR ... 381..235H. doi:10.1016 / S0370-1573 (03) 00140-6. S2CID  118933166.
  9. ^ K. Agashe, R. Contino ve A. Pomarol, "The Minimal composite Higgs model", Nucl. Phys. B719, 165 (2005)
  10. ^ R. Contino, Higgs, Kompozit Nambu-Goldstone Bozonu Olarak
  11. ^ M. Redi
  12. ^ J. Mrazek, A. Pomarol, R. Rattazzi, M. Redi, J. Serra ve A. Wulzer, Diğer Doğal İki Higgs Doublet Modeli, Nucl. Phys. B853, 1 (2011) https://arxiv.org/abs/1105.5403.
  13. ^ M. Redi ve A. Tesi, Hafif Bir Higgs'in Kompozit Modellerdeki Etkileri, JHEP 1210, 166 (2012) https://arxiv.org/abs/1205.0232.
  14. ^ D. B. Kaplan, SSC enerjilerinde lezzet: Dinamik olarak oluşturulmuş fermiyon kütleleri için yeni bir mekanizma, Nucl. Phys. B 365, 259 (1991).
  15. ^ M. Redi ve A. Weiler, Lezzet ve CP Değişmez Kompozit Higgs Modelleri, JHEP 1111, 108 (2011)
  16. ^ ATLAS, 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. ^ ATLAS, 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