Составные модели Хиггса

В физике элементарных частиц составные модели Хиггса ( CHM ) являются спекулятивным расширением Стандартной модели (SM), где бозон Хиггса является связанным состоянием новых сильных взаимодействий. Эти сценарии представляют собой физические модели, выходящие за рамки СМ, ​​которые в настоящее время тестируются на Большом адронном коллайдере (БАК) в Женеве.

Во всех составных моделях Хиггса недавно открытый бозон Хиггса не является элементарной частицей (или точечной частицей), а имеет конечный размер, возможно, около 10 ⁻¹⁸ метры. Этот размер может быть связан с масштабом Ферми (100 ГэВ), который определяет силу слабых взаимодействий, таких как β-распад , но он может быть значительно меньше. Микроскопически составной бозон Хиггса будет состоять из более мелких компонентов точно так же, как ядра состоят из протонов и нейтронов .

История

CHM, часто называемые «естественными» составными моделями Хиггса, представляют собой конструкции, которые пытаются облегчить проблему точной настройки или «естественности» Стандартной модели. Они обычно создают бозон Хиггса как естественный легкий псевдоголдстоун-бозон или поле Намбу-Голдстоуна, по аналогии с пионом (или, точнее, с К-мезонами) в КХД. Эти идеи были предложены Георгием и Капланом. как умный вариация цветных теорий, допускающая наличие физического бозона Хиггса малой массы.Это предшественники теорий Литтла Хиггса .

Параллельно ранние составные модели Хиггса возникли из тяжелого топ-кварка и его фиксированной точки в инфракрасном диапазоне ренормгруппы , что подразумевает сильную связь Хиггса с топ-кварками при высоких энергиях.Это легло в основу теорий конденсации топ-кварков и нарушения электрослабой симметрии, в которых бозон Хиггса на чрезвычайно малых расстояниях является составным, состоящим из пары топ- и антитоп-кварков. Это было описано Ёитиро Намбу и впоследствии развито Миранским, Танабаси и Ямаваки. и Бардин, Хилл и Линднер, который связал теорию с ренормгруппой и улучшил ее предсказания.Хотя эти идеи по-прежнему убедительны, они страдают от «проблемы естественности», то есть от значительной степени тонкой настройки.

Чтобы решить проблему точной настройки, Чивукула, Добреску, Георгий и Хилл представил модель «Топ-качели», в которой составной масштаб уменьшен до нескольких ТэВ (триллионов электронвольт, энергетическая шкала БАК ) . Более поздняя версия модели Top Seesaw Добреску и Ченга имеет приемлемый уровень.легкий составной бозон Хиггса. Лучшие модели качелей имеют хорошую геометрическую интерпретацию в теориях дополнительных измерений, которыелегче всего увидеть с помощью размерной деконструкции (последний подход устраняет технические детали геометрии дополнительного пространственного измерения и дает перенормируемую теорию поля D-4). Эти схемы также предусматривают «частичную составность».Эти модели обсуждаются в обширном обзоре сильных динамических теорий Хилла и Симмонса.

CHM обычно предсказывают новые частицы с массой около ТэВ (или десятков ТэВ, как в схемах Литтла Хиггса ), которые являются возбуждениями или составными частями составного бозона Хиггса, аналогично резонансам в ядерной физике . Новые частицы могут быть созданы и обнаружены в экспериментах на коллайдере, если энергия столкновения превысит их массу, или могут привести к отклонениям от предсказаний СМ в «наблюдаемых низкой энергии» – результатах экспериментов при более низких энергиях. В наиболее убедительных сценариях каждая частица Стандартной модели имеет партнера с равными квантовыми числами, но более тяжелой 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 можно было бы обнаружить на БАКе или в будущих экспериментах, тем не менее, по состоянию на 2018 год не было обнаружено никаких прямых или косвенных признаков того, что бозон Хиггса или другие частицы СМ являются составными.

Благодаря открытию БАК в 2012 году известно, что существует физический бозон Хиггса.(слабый изодуплет), который конденсируется, нарушая электрослабую симметрию . Это отличается от предсказаний обычных цветных теорий, согласно которым новая сильная динамика напрямую нарушает электрослабую симметрию без необходимости физического бозона Хиггса.

CHM, предложенный Георгием и Капланом, был основан на известной динамике калибровочной теории , которая создает дублет Хиггса в виде бозона Голдстоуна . Позже, как и в случае с моделями Top Seesaw, описанными выше, было осознано, что это может естественным образом возникнуть в пятимерных теориях, таких как сценарий Рэндалла-Сундрама или в результате размерной деконструкции . Эти сценарии также могут быть реализованы в гипотетических сильно связанных конформных теориях поля (CFT) и соответствии AdS-CFT . Это стимулировало активность в этой области. Сначала бозон Хиггса представлял собой общее скалярное связанное состояние. Во влиятельных работа Хиггс как бозон Голдстоуна был реализован в CFT. Детальные феноменологические исследования показали, что в этих рамках согласие с экспериментальными данными можно получить при мягкой настройке параметров.

Более поздняя работа по голографической реализации CHM, основанная на соответствии AdS/QCD , обеспечила явную реализацию сильно связанного сектора CHM и вычисление масс мезонов, констант распада и массы верхнего партнера.

Модели CHM

ХМ можно охарактеризовать массой (м) легчайших новых частиц и их связью (г). Ожидается, что последние будут больше, чем муфты SM, для обеспечения единообразия. Существуют различные реализации CHM, которые различаются механизмом генерации дублета Хиггса. В целом их можно разделить на две категории:

1. Хиггс — это общее связанное состояние сильной динамики.
2. Хиггс — бозон Голдстоуна спонтанного нарушения симметрии.

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

Хиггс как бозон Голдстоуна

По сути, это теории Литтла Хиггса.В этом сценарии существование бозона Хиггса следует из симметрии теории. Это позволяет объяснить, почему эта частица легче остальных составных частиц, масса которых, как ожидается по прямым и косвенным тестам, будет около ТэВ или выше. Предполагается, что составной сектор имеет глобальную симметрию G, спонтанно нарушенную до подгруппы H, где G и H — компактные группы Ли . В отличие от цветных моделей, ненарушенная симметрия должна содержать электрослабую группу СМ   SU(2)×U(1) . Согласно теореме Голдстоуна, спонтанное нарушение глобальной симметрии приводит к образованию безмассовых скалярных частиц, известных как бозоны Голдстоуна . Соответствующим выбором глобальных симметрий можно получить бозоны Голдстоуна, соответствующие дублету Хиггса в СМ. Это можно сделать разными способами и полностью определяется симметриями. В частности, теория групп определяет квантовые числа голдстоуновских бозонов. Из разложения присоединенного представления находим

$\ \mathrm {Adj} {\bigl [}\ G\ {\bigr ]}=\mathrm {Adj} {\bigl [}\ H\ {\bigr ]}+\mathrm {R} {\bigl [}\ \Pi \ {\bigr ]}\ ,$

где   R[ Π ]   — представление голдстоуновских бозонов под   H . Феноменологический запрос о существовании дублета Хиггса выбирает возможные симметрии. Типичным примером является шаблон

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

который содержит единственный 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 приближенная связь между массой и связью составных состояний: $\ M=g\ f~.$

В CHM обнаруживается, что отклонения от SM пропорциональны

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

где   v = 246 ГэВ — среднее электрослабого вакуума. По построению эти модели аппроксимируют СМ с произвольной точностью, если ξ достаточно мало. Например, для приведенной выше модели с глобальной симметрией SO (5) связь Хиггса с бозонами W и Z модифицируется как

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

Феноменологические исследования предполагают, что   f > 1 ТэВ и, следовательно, по крайней мере в несколько раз больше, чем v . Однако настройка параметров, необходимая для достижения   v < f,   обратно пропорциональна ξ , так что жизнеспособные сценарии требуют некоторой степени настройки.

Голдстоуновские бозоны, возникающие в результате спонтанного нарушения точной глобальной симметрии, в точности безмассовые. Следовательно, если бозон Хиггса является бозоном Голдстоуна, глобальная симметрия не может быть точной. В CHM потенциал Хиггса генерируется эффектами, которые явно нарушают глобальную   G. симметрию Как минимум, это С. М. Юкава и калибровочные связи, которые не могут соблюдать глобальную симметрию, но могут существовать и другие эффекты. связь Ожидается, что верхняя 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:

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

В моделях с   f ~ ТэВ , как и предполагает естественность, это указывает на фермионные резонансы с массой около 1 ТэВ. Ожидается, что резонансы со спином 1 будут несколько тяжелее. Это находится в пределах досягаемости будущих экспериментов на коллайдере.

Частичная композитность

Одним из компонентов современного CHM является гипотеза частичной составности, предложенная Д.Б. Капланом. Это похоже на (деконструированное) дополнительное измерение, в котором каждая частица Стандартной модели имеет тяжелого партнера(ов), который может с ней смешиваться. На практике частицы СМ представляют собой линейные комбинации элементарных и сложных состояний:

$|{\mathsf {Std.Mod.}}\rangle ~=~\cos {\alpha }~|{\mathsf {Elem.}}\rangle +\sin {\alpha }~|{\mathsf {Comp.}}\rangle$

где $\ \alpha \$ обозначает угол смешивания.

Частичная композитность естественным образом реализуется в калибровочном секторе, где в квантовой хромодинамике происходит аналогичное явление , известное как γ – ρ- смешение (по названию фотона и ро-мезона – двух частиц с одинаковыми квантовыми числами, которые одинаково смешиваются). Для фермионов это предположение, в частности, требует существования тяжелых фермионов с квантовыми числами, равными квантовым числам SM- кварков и лептонов . Они взаимодействуют с бозоном Хиггса посредством смешивания. Схематически находится формула для масс фермионов СМ:

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

где индексы L и R обозначают левое и правое смешивание, а Y — составное соединение секторов.

Композитные частицы представляют собой мультиплеты с непрерывной симметрией H. По феноменологическим причинам они должны содержать кастодиальную симметрию SU(2)×SU(2), расширяющую электрослабую симметрию SU(2)×U(1). Составные фермионы часто принадлежат к представлениям, большим, 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 ⁠ специальными экспериментальными со сигнатурами.

Частичная составность улучшает феноменологию CHM, объясняя, почему до сих пор не было измерено никаких отклонений от SM. В так называемых анархических сценариях иерархии фермионных масс СМ порождаются посредством иерархий смешиваний и анархических соединений составных секторов. Легкие фермионы почти элементарны, тогда как третье поколение сильно или полностью составное. Это приводит к структурному подавлению всех эффектов, затрагивающих первые два поколения, которые наиболее точно измеряются. В частности, подавляются ароматические переходы и поправки к электрослабым наблюдаемым. Возможны и другие сценарии с различной феноменологией.

Эксперименты

Основными экспериментальными признаками CHM являются:

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

Суперсимметричные модели также предсказывают, что у каждой частицы Стандартной модели будет более тяжелый партнер. Однако в суперсимметрии партнеры имеют другой спин : они являются бозонами, 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. Смешение частиц СМ определяет связь с известными частицами СМ. Детальная феноменология сильно зависит от предположений о вкусах и, как правило, зависит от модели. Хиггс и топ-кварк обычно имеют наибольшую связь с новыми частицами. По этой причине партнеров третьего поколения легче всего создавать, а верхняя физика имеет наибольшие отклонения от СМ. Ведущие партнеры также имеют особое значение, учитывая их роль в естественности теории.

После первого запуска БАК прямые экспериментальные поиски исключают фермионные резонансы третьего поколения до 800 ГэВ. Границы глюонных резонансов находятся в мульти-ТэВном диапазоне. и несколько более слабые границы существуют для электрослабых резонансов.

Отклонения от связи СМ 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 миллиметра в ходе эксперимента LEP . После первого запуска БАК связи Хиггса с фермионами и калибровочными бозонами согласуются с СМ с точностью около 20%. Эти результаты создают некоторую напряженность для CHM, но совместимы со шкалой составности f ~ ТэВ.

Гипотеза частичной составности позволяет подавить нарушение вкуса за пределами СМ, ​​которое строго ограничено экспериментально. Тем не менее, в рамках анархических сценариев в некоторых наблюдаемых наблюдаются значительные отклонения от предсказаний СМ. Особенно ограниченным является нарушение CP в системе Каон и нарушение лептонного аромата, например, редкий распад μ->eγ. Общая физика вкусов предполагает сильнейшие косвенные ограничения на анархические сценарии. Этого напряжения можно избежать с помощью различных вкусовых предположений.

Краткое содержание

Природа бозона Хиггса остается загадкой. С философской точки зрения бозон Хиггса — это либосложное состояние, построенное из более фундаментальных составляющих, или оно связано с другими состояниями в природе симметрией, такой как суперсимметрия (или некоторая смесь этих понятий). До сих пор нет никаких доказательств ни композитности, ни суперсимметрии.

Тот факт, что природа обеспечивает единственное (слабое изодуплетное) скалярное поле, которое якобы однозначно генерирует массы фундаментальных частиц, кажется несовместимым со здравым смыслом.

В настоящее время мы понятия не имеем, в каком масштабе массы/энергии будет раскрыта дополнительная информация о бозоне Хиггса, которая может пролить полезный свет на эти вопросы. Пока теоретики заняты придумыванием объяснений, это ограниченное понимание представляет собой серьезную проблему для экспериментальной физики элементарных частиц: у нас нет четкого представления о том, могут ли реальные ускорители предоставить новую полезную информацию за пределами СМ. Надежда на то, что информативные энергии столкновений могут быть в пределах досягаемости, делает важным, чтобы БАК продвигается вперед, увеличивая светимость и энергию в поисках любых новых подсказок, которые можно получить.

См. также

• Альтернативы стандартной модели Хиггса
• Модель двух дублетов Хиггса
• Преон