LHCにおけるヒッグス粒子
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Transcript LHCにおけるヒッグス粒子
LHCにおけるヒッグス粒子
ＫＥＫ
浅川 恵理
目次
１．電弱理論と電弱対称性の破れ
２．ヒッグス機構
３．ヒッグス粒子の質量に対する制限
実験から
理論から
４．Beyond SM
超対称標準模型
ＮＭＳＳＭ、２ＨＤＭ
階層性問題
電弱理論（ワインバーグ‐サラム模型）
電弱ゲージ対称性 SU (2) w U (1) Y
相互作用の記述は、実験・観測と矛盾無し
しかし、
素粒子の質量は、 ゲージ対称性と相容れない
ヒッグス機構の導入によって
電弱対称性の自発的破れを起こす
ことにより解決
ヒッグス機構
S U (2 ) W , U (1) Y 2, 1 / 2 の複素スカラー場 を導入
0
1
v
2
ゲージボソンの質量
ヒッグス粒子とゲージボソンの相互作用
D i
g
2
T
W T W
ig T
3
Z
mW
1
mZ
1
sin w Q Z ieQ A
2
V
2
†
mH
2
†
2 v
gv
2
g +g v
2
2
2
mH
2
ヒッグス粒子の質量に対する実験からの制限
直接探索で見付かっていない
間接探索
（他の過程への輻射補正）
標準模型を仮定。
つまり新粒子の存在は無いとしている。
より一般的には、
ヒッグス粒子による輻射補正の効果＋
何らかの新粒子による輻射補正の効果
が間接探索の観測量に現れているはず。
その場合、上記の間接探索からの制限は
あまり意味を成さない。
m H 114.4 G eV
69
m H 114 45 G eV
間接探索からの帰結
一般的に、２つのシナリオが可能
１．比較的軽いヒッグス粒子だけが
mH
2 6 0 G eV 程 度
ＴｅＶ領域以下に存在
２．それほど軽くないヒッグス粒子
＋
W,Zボソンに結合するNew Physics
ヒッグス粒子が重くなるほど
より強い相互作用をする
New Physicsが必要
ヒッグス粒子の質量に対する理論からの制限
質量の上限について考察
λがどこまで大きくなれるか？
d
d
1
12
2
16
2
3
1
3
4
2
ln
w here
v ln
4
Q
2
v
2
2
v ln
Q
2
v
2
0 で Q
m H 2 v v
Q
2
2
v
2
ヒッグス質量の上限値
2
Q
v
Q
1
2 v
mH
8
3
2
v
2
ln / v
2
2
mH
2
8
3
2
v
2
ln / v
2
2
excluded
allowed
理論的制限からの帰結
excluded
allowed
Riesselmann
1. 比較的重いヒッグス粒子なら、
標準模型のcutoff scale
2. 軽いヒッグス粒子なら、
M Pl
M Pl もＯＫ。
ヒッグス粒子が１TeVまでに
見付からなかったら
TeV領域にNew Physicsがあるはず
ＬＨＣ ( pp衝突、 s 14 T eV )
m H 1 TeV の探索が可能
u, d, g, ‥‥間の衝突エネルギー
s
O (T eV )
ヒッグス粒子にも
ＴｅＶ領域のNew Physicsにも
対応している。
ここまでのまとめ
標準模型では、実験からの制限を考慮して、
質量が１１５ＧｅＶ以上２６０ＧｅＶ以下のヒッグス粒子を予言している。
しかし、実験からの質量上限は新物理の存在を考えることでextendできる。
一方、理論からの質量制限は、標準模型のカットオフスケールΛに依存する。
Λ 小 ⇒ 質量制限はゆるくなる
Λ＝１ＴｅＶ ⇒ 質量上限も ～１ＴｅＶ
ヒッグス粒子が１TeVまでに見付からなかったら
TeV領域にNew Physicsがあるはず
ＬＨＣは重いヒッグス粒子にもTeV領域のNew Physicsにも
対応している。
New Physicsが何であるかによって、許されるヒッグス粒子の質量も変化する。
Beyond the Standard Model
超対称標準模型（ＭＳＳＭ）
階層性問題を解決
ゲージ結合定数の大統一が成功（電荷の量子化を説明）
2
2
V M S S M m1 1
1
1
g
8
g
2
2
g
2
m h,H
2
2
†
2
2
1
†
†
m3 1 2 2 1
2
2
2
ヒッグス２重項は２つ
H1
1
1 v i
1
1
1
2
2
1 2
2
m A mZ
2
2
2
H2
2
1 v i
2
2
2
2
2
m H m A mW
2
2
1 2
m A m1 m 2
2
2
m2 2
m
2
A
mZ
2
2
2
2
2
4 m A m Z sin 2
2
２つのパラメータ
m A , tan v 1 /v 2
だけで、５つのヒッグス粒子の質量が決まる。
⇒ 互いの質量が大変よく関係付けられている。
最小超対称標準模型（ＭＳＳＭ）における
ヒッグス粒子の検出
ＮＭＳＳＭ
MSSM+SU(2) singlet N
V N M SSM m 1 1
2
2
m2 2
2
2
2
mN N
2
kAk 3
A N 1 2
N h .c .
3
1 2 kN
1
g
8
2
g
2
2
2
2
1
2
2
Physical Higgs bosons
h , H 1 , H 2 , A1 , A2 , H
1
2
2
2
2
N
2
2
を大きくとればとるほど、hの質量を重くできるが、
ＧＵＴスケールでの
が大きくなり過ぎない為の制限により、
hの質量に上限がおかれる。
の自由度によって、質量スペクトルは多様性を持つ。
THDM
Two Higgs Doublet Model
SMにもう一つHiggs doubletを加えた模型
MSSMもTHDMの一つ
2
VT H D M m1 1
1
2
1
2
2
m2 2
4
4 2
†
1
2
2
2
2
2
4
2
†
†
2
3 1
2
5
†
1
1 2
MSSMでは、超対称性により
m3 1 2 2 1
4
1
2
1
2
g
4
2
+g
2
2
2
†
2
1
2
,
3
1
g
4
2
2
g
2
g , 5 0
2
ＴＨＤＭでは はある程度自由に取れる。従って、
の自由度によって、質量スペクトルは多様性を持つ。
ρparameter constraint
Constraint from
perturbative unitarity
2-3 orders
enhancement is
possible
as compared to MSSM
case
E.A., Brein, Kanemura
Cho and Hagiwara
階層性問題
m H m tree O
2
2
2
例えば M Pl の場合、
とてつもないfine tuningが必要。
階層性問題が起こらない為には
１． O ( )
O ( mW )
Technicolor, Extra dimension, ‥‥‥
２． m H
2
O
m tree O
2
SUSY, little Higgs
2
2
（u）、（d）、（δ） Z’ボソンを含む模型
（KK） Extra dimension 模型
ゲージボソン in 5次元時空
ヒッグス粒子 in 4次元時空
フェルミオン
薄い楕円 68%C.L.の制限
m H 300 G eV
for m K K 3 5 T eV
Peskin and Wells
Fat Higgs model
Harnik, Kribs, Larson, Murayama
Peskin and Takeuchi
結論
• 標準模型の成功はゲージ理論の成功（相互作用の
universality）
• 現代素粒子論の最重要な問題は、ゲージ対称性の自発的
破れ物理である。
• ８００ GeV程度以下の質量を持つヒッグス粒子が存在する
か、或いはTeV領域でW, Zボソンが強い相互作用をする。
• ＬＨＣはこの全ての可能性に対し、我々にゲージ対称性の破
れの物理を解明、或いはヒントを与える。
従って、
• ＬＨＣ実験が素粒子模型の構築に大変大きな寄与
をすることは確かである。
• しかもその構築の過程で、ヒッグス粒子の質量がわ
かることが非常に重要である。
• ＬＨＣ実験が素粒子物理学の新しい展開に、最低限、
一定の道筋を付けることも確かである。
• しかし、ＬＨＣ実験だけで十分に新しい展開を確定す
ることはできないであろう。
⇒リニアコライダー
２００７年
ＬＨＣ が稼動を開始
（宇宙の始まり）
高
超対称性
新素粒子標準模型
(10
13
秒後)
現在
1000 GeV
低
リトルヒッグス