軽いヒッグスの物理

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1 軽いヒッグスの物理 兼村晋哉富山大学理学部 シンポジウム ヒッグスとコライダー 日本物理学会秋季大会京都産業大学 2012 年 9 月 12 日 1

2 序 : 電弱対称性の自発的破れ 素粒子標準模型における 2 つの大きな柱 1. ゲージ原理 : 素粒子の相互作用 実験でよく検証されてきた SU(3) X SU(2) X U(1) 2. 電弱ゲージ対称性の自発的破れ 既知 ヒッグス機構 : NG ボソンを吸収して W, Z が質量獲得カイラル対称性の破れ : クォーク レプトンが質量獲得 U(1) em ヒッグスセクター ヒッグスセクターの正体は何か? よく解っていない LHC 実験で 125GeV に新粒子が発見された : すべてはここから始まる! 2

3 ヒッグスとの結合定数 序 : 標準模型のヒッグスセクター アイソスピン 2 重項スカラー場が 1 個の最小形 I = 1 2, Y = 1 μ 2 < 0 素粒子の質量起源 ヒッグス機構湯川結合自己結合 m W = g 2 v m f = y f 2 v m H = 2λ v 質量と結合定数の比にユニバーサルな関係がある 素粒子の質量 3

4 序 : SM Higgs = Just a guess! SM ヒッグスはくりこみ可能性の下で 3 つの単純な仮定を置いた ( スカラー場 2 重項 1 個 μ 2 < 0) SM ヒッグスの仮定には原理なし 新物理学に伴う拡張ヒッグス模型の可能性 ヒッグスセクターに関する 3 つの質問 ヒッグスセクターの本質 ( 素スカラー場 複合場 ) ヒッグスセクターの形 (Minimal/Non-minimal) ヒッグスセクターのダイナミクス (How EWSB?) 4

5 序 :Beyond the Standard Model 物理法則の統一的理解 大統一パラダイム 湯川の構造 ( フレーバー ) 標準模型のヒッグスの問題 階層性問題標準模型で説明できない様々な現象 バリオン数生成問題 ニュートリノ質量問題 暗黒物質問題 インフレーション 暗黒エネルギー BSM の新物理模型が必要どのスケールに? これらの問題を解決するテラスケール新物理シナリオの中には ヒッグス物理が本質的な役割を果たしているモノも多い 5

6 2012 年 7 月 LHC が 125GeV に新粒子を発見 LEP が示唆する 軽い ヒッグスの質量領域 崩壊モードの情報 今の所 他の新物理粒子 ( 超対称粒子等 ) は発見されていない SM ヒッグス質量の許容領域 新粒子発見! 6

7 序 : 軽いヒッグスの物理 125GeV の意味するところは? 本当にヒッグスなのか? SM ヒッグスか? 拡張されたヒッグス模型に属する SM 的ヒッグス粒子? 新物理学模型との関係は? 新現象との関係は? 色々な崩壊モードを研究できる 7

8 [1] 新粒子は発見される前に質量が 解っていた 精密測定 輻射補正計算 t = 新粒子質量の間接測定 ローパラメータ W, Z t W,Z 輻射補正 W, Z H W, Z W, Z トップクォークとヒッグスの効果 トップは 2 乗 ヒッグスはログ 8

9 粒子は発見前に質量が解っていた! トップクォークの場合 ローパラメータ (T パラメータ ) への寄与が質量の 2 乗 ヒッグス質量の寄与は log なのでとりあえず後回し LEP1 実験 ( レプトンコライダー ) の精密実験の結果と比較してトップ質量は GeV に絞られていた 1994 年トップクォークがテバトロン ( ハドロンコライダー ) で発見された!( 約 170GeV) Hagiwara, et al

10 同じことはヒッグス場でも繰り返された ヒッグス質量の間接測定 トップ質量は今度はインプット 電弱パラメータはヒッグス質量のみの関数 LEP2 の精密測定と比較 114GeV から約 150 GeV 程度以下と予想 LHC で 125GeV に新粒子発見! SM ヒッグス質量の許容領域

11 LEP と無矛盾な重いヒッグスの可能性 もあった 例えば付加的な新物理効果があれば 重い ヒッグス場の可能性もあった m h =500GeV 新物理の効果 2 重項 2 個の拡張ヒッグス模型の場合 m A [GeV] 許容領域 11 SK, Okada, Taniguchi, Tsumura, 2011

12 125GeV に新粒子! LHC が決着をつけた SM を仮定して電弱精密データから予見されていたヒッグスの質量領域に一致 これがヒッグス場だとすると 標準模型がヒッグスセクターでも 概ね 正しいことを示している 拡張されたヒッグスセクターだとしても 125GeV に SM 的なヒッグス場を含む 12

13 125GeV 新粒子は本当にヒッグスか? 1. γγ モードでの共鳴 : 新粒子はスピン WWモードが標準模型の値とO(1) で一致弱結合なら HWW と思ってよい強結合なら (φ/λ)f mn F mn の可能性も φ: ヒッグス以外のスピン0,2の粒子 3. ZZ への崩壊モード (e+e-μ+μ- の角分布 ) hzz( 縦波 ) と (φ/λ)f mn F mn ( 横波 ) を区別しつつある ヒッグス (EWSB に関与する粒子 ) の可能性が高い 本当に SM のヒッグスかどうか? PRD81, (2010) 13

14 LHC 実験結果は SM とコンシステント 125GeV にヒッグスと矛盾しない新粒子 他に新粒子の兆候なし 標準模型の 125GeV のヒッグスと仮定した場合 ループレベルまで含めて SM と矛盾しない結果 自然はヒッグスセクターを含めても標準模型が良い近似! 次は より高い精度で新物理探索へ 14

15 [2] 標準模型とヒッグス場の質量 ヒッグス質量は SM 最後のパラメータだった その質量はヒッグスポテンシャルの物理 ダイナミクスと関係 m H 2 = 2 l v 2 軽いヒッグス = 弱結合 重いヒッグス = 強結合 125GeV λ=

16 標準模型の適用限界 標準理論があるエネルギースケール Λ まで成り立つと要請 ランダウポールが無い (λ ) 真空が安定 (λ>0) m h 2 = 2 l v 2 くり込み群方程式 トップ湯川結合は mt=175gev から O(1) と決まっている λ が大きければベータ関数は正となり上に行く λ が小さければトップの効果に負けて落ちていく

17 125GeV の標準模型ヒッグス場 標準模型ではプランクスケールまで理論がもたない 手前で λ<0 に突入し真空安定でなくなる (2σ) SM を仮定するとプランクスケールでは真空は準安定 NNLO プランクスケールまでに SM が書き換わる必要性の証拠? 不安定 準安定 安定 Degrassi et al. (2012) 17

18 [3] New Physics 新物理のスケール TeV 領域 はるかに高い領域 大統一のパラダイム 階層性問題 フレーバー問題 バリオン数生成 ニュートリノ質量 暗黒物質 暗黒エネルギー インフレーション テラスケールに新物理の兆候があるはず 少なくとも階層性問題と暗黒物質問題はテラスケール新物理を示唆 バリオン数生成 ニュートリノ微小質量 インフレーションもヒッグスの物理 ( テラスケールの物理 ) が役割を果たしている可能性がある 18

19 階層性問題 SM ヒッグスボソンはスカラー場 ヒッグス質量の輻射補正 :2 次発散 高エネルギーまで理論成り立つとするとファインチューニングの問題 テラスケールで New Physics (2 次発散を消す ) 例 : SUSY (Boson Fermion) Huge fine tuning if m H << L ~ GUT scale + = log Λ Λ 2 -Λ 2 ヒッグスの本質の問題新物理の方向性との対応 19

20 ヒッグスの本質と新物理模型 ヒッグス場の本質 新物理学のシナリオ スカラー場 <φ> 複合場 <ΨΨ> 擬南部ゴールドストンボソン 余剰次元ゲージ場の成分 超対称性力学的対称性の破れリトルヒッグス機構 ゲージヒッグス統合模型 其々のシナリオは特有の ( 拡張された ) ヒッグスセクターを予言 ヒッグスセクター = 新物理学の窓

21 実験は未だ TeV 領域に新粒子見ず 新粒子 ( グルイノ スクォーク等 ) の質量には強い制限 ストップ スボトムは制限なし ヒッグス場の本質 (2 次発散を解く物理 ) が直接見える物理のスケールは TeV よりもっと高い可能性が出てきた Λ = 10 TeV だとファインチューニング 1% (100 99=1) 今後の LHC 実験 (14TeV) が待たれる 低エネルギーでのヒッグスセクターの形は? 一見 SM 的だが 多様な拡張模型の可能性有り Kolda, Murayama 21

22 2 Higgs doublet model (2HDM) Diagonalization 22

23 拡張ヒッグス模型 (2 つのシナリオ ) L: Cutoff M: Mass scale irrelevant to VEV M 2 Non-decoupling effect 23

24 ヒッグスの形と新物理模型 ヒッグスセクターの形 新物理学のシナリオ SM 的 2 重項 +1 重項 SM 的 2 重項 +2 重項 ( 弱結合 ) SM 的 2 重項 +2 重項 ( 強結合 ) SM 的 2 重項 +3 重項 B-L が自発的に破れる模型 最小超対称模型, CP を破る模型, ニュートリノ質量 ( 輻射シーソー模型 ) リトルヒッグス模型 電弱バリオン数生成の模型 ニュートリノ質量模型 ( タイプ 2 シーソー ) Left-Right 模型 其々のシナリオが特有の拡張されたヒッグスセクターに対応 ヒッグスセクター = 新物理学の窓

25 ニュートリノとヒッグス 輻射補正による微小質量の導出のシナリオ Zee (1980, 1985) Zee,Babu, Ma, Sarker,.. Krauss-Nasri-Trodden (2002) Ma (2006),.. Ma Zee Babu 特徴 ニュートリノ微小質量はヒッグスの拡張とTeV 新物理のループ効果で自然に導出コライダーで検証可能 Krauss et al 25

26 輻射シーソー模型 with Z 2 右巻きニュートリノを導入ツリーでのヒッグス場との湯川結合を禁止するため離散対称性 Z 2 を導入一番軽い Z 2 奇粒子は安定 (DM 候補 ) Ex) 1-loop 最もシンプル SM + NR + Inert doublet (H ) 暗黒物質 [ H or N R ] H case N R (LFV and Ωh 2 not compatible) Ex) 3-loop Ma (2006) ニュートリノ微小質量がO(1) 結合から 2HDM + η 0 + S + + N R 暗黒物質 [ η 0 (or N R ) ] 電弱バリオン数生成 n L (even) Aoki, SK, Seto, PRL 102, (2009) φ (even) y ei =m e i tanβ/v N R (odd) y e i DM (odd) H H y e k SM fields (even) 26

27 [4]125 GeV ヒッグスと超対称性 ヒッグスポテンシャル V = D 2 + F 2 + (soft-breaking) MSSM は 2HDM(H u, H d ) ヒッグス自己相互作用は D 項の寄与 ( ゲージ結合 ) のみ ループ効果 ツリーレベルでは Z の質量以下 125GeV を実現するにはトップ ストップループを利かすしかない大きいストップ質量 大きいストップレフトライト混合 At M SUSY ~10TeV (At=0) 階層性問題とのテンション! 27 Hall, Pinner, Ruderman (2011)

28 拡張 SUSY 模型 新粒子の追加により新たな F 項や D 項やループ効果により質量を上げられる + MSSM Hall, et al., (2011) F 項 + 1 重項 (S) 3 重項 (T) 等の追加 例 :NMSSM D 項 loop + + 新たなゲージ対称性 U(1) X 例 : MSSM+ 右巻きニュートリノ +S+S ループを回るベクトル的マターの追加 Endo, Hamaguchi, Iwamoto, Yokozaki (2011) Moroi, Okada 92 28

29 電弱バリオン数生成 n B s = n b n b s = 6.21 ± この量の説明は素粒子物理の重要問題 サハロフの 3 条件バリオン数非保存過程 C,CP の破れ熱的非平衡の条件 スファレロン遷移のデカップリング条件 電弱バリオン数生成のシナリオスファレロン効果湯川相互作用やその他の部分の CP の破れ電弱相転移が一次的相転移 Broken Phase の泡が膨張 φ=0 φ 0 電弱バリオン数生成はヒッグス物理と密接なつながり Symmetric Phase ではスファレロン遷移 (ΔB 0) と CP 非保存により B 数が生成 Broken Phase ではスファレロン遷移が抑制され生成された B 数を凍結しなければならない 29

30 電弱バリオン数生成 標準模型では m h <60 GeV 排除! 125GeV の SM 的ヒッグスを伴う拡張ヒッグス模型 ( 例 :2HDM) 可能! +( 付加粒子効果 ) f c /T c > 1 125GeV ヒッグスの時 付加粒子との結合がやや強結合になる ( ポテンシャルが強結合 ) 同じノンデカップリング効果はゼロ温度の hhh 結合をずらす (20-30% 以上 ) 電弱バリオン数生成は hhh 結合の測定で検証可能 SK, Okada, Senaha,

31 どのように模型を区別するか ヒッグスの本質 素スカラー場, 複合場 ( 擬南部ゴールドストン ), 余剰次元, ヒッグスの形 SM, SM+S, SM+D, SM+T,.. ダイナミクス ( 弱結合か強結合か ) Weak and Light, Strong but Light 模型の間の違い 125GeV ヒッグスの結合定数 (hγγ, hgg, hww, hzz, htt, hff, hhh) に対する SM からのずれ方のパターンの違いとして出る 新粒子の量子効果 : 1 ループ過程である h γγ, h gg に大きなずれ hhh 結合にもノンデカップリング効果で大きな補正 混合 h φ: ゲージ結合 湯川結合に特有のずれ 31

32 Di-photon Decay Width Di-photon のデータの中心は factor 程度, SM 値より大 大きい γγ シグナルを実現する新物理粒子 W boson Singly/Doubly charged scalars New charged leptons 様々な模型で実現できる destructive 荷電スカラー S + の効果 c s < 0 本当のずれかどうか統計が増えるのを待つ Carena et al., (2012) 32

33 ヒッグスとの結合定数 SM ヒッグス結合からのずれ MSSM NMSSM 2HDM (type-2) Up-type Down-type Opposite direction

34 ヒッグスとの結合定数 SM ヒッグス結合からのずれ ExtraD (Randall-Sundrum) D+S 0 Radion-Higgs Mixing hvv, hff, hγγ universal reduction

35 ヒッグスとの結合定数 SM ヒッグス結合からのずれ Non-decoupling effect Strong 1 st Order Electroweak Phase Transition 電弱バリオン数生成 2HDM (SM-like) ニュートリノ質量 D+S + +S +

36 国際線形加速器が必要 M. Peskin, 2012 O(few)% レベルの測定 LHC では難しい hhh 結合 チャーム湯川 ミューオン湯川も計れる 素粒子質量起源の解明 新物理模型の仕分け LEP がヒッグス質量を予見したように ILC も新物理のスケールを決定できる 36

37 まとめ 126GeV のヒッグスらしきものの発見で 素粒子の質量起源 ( 電弱対称性の自発的破れのメカニズム ) 解明の糸口を得た SM 的ヒッグス ( SM ヒッグス ) ヒッグスセクターの構造と性質は 標準模型を超えた新物理理論と密接な関係にある 標準模型の限界の見極めと新物理 ( 次世代ラグランジアン ) 確立のためにヒッグスセクターの詳細にわたる研究が必要 LHC 実験で標準模型にない新粒子が見つかるかどうかは 模型に強く依存する (14TeV LHC, HL-LHC に期待 ) 軽いヒッグスの徹底解明によって標準模型を超えた物理の方向性を決定できる LHC 実験での更なる新粒子発見と 今後の ILC の精密測定で次世代ラグランジアンを特定すること ヒッグス物理による新物理探究は今後 年の物理

38 ヒッグス物理 = 新物理学の窓

39 ヒッグスポテンシャル ヒッグスセクターのダイナミクス 新物理学のシナリオ 125GeV の SM 的ヒッグスの存在の下で ダイナミクスが弱結合 m h 2 = 2 l v 2 ダイナミクスは高エネルギーで強結合 m h 2 2 l v 2 125GeV 実現には結合定数が複数あるか 新原理が必要 超対称性 ( 弱結合拡張ヒッグス模型 ) Planck Scale まで見渡せる物理 Grand Unification 強結合拡張ヒッグス模型摂動効果でニュートリノ質量生成電弱バリオン数生成コンポジット模型 ( 擬南部ゴールドストン ) SUSY ファットヒッグス模型 ヒッグスセクター = 新物理学の窓

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