• Tidak ada hasil yang ditemukan

PDF Implicaons,of,Higgs,Boson,Mass,for,New,Physics, - TWCU

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2024

Membagikan "PDF Implicaons,of,Higgs,Boson,Mass,for,New,Physics, - TWCU"

Copied!
45
0
0

Teks penuh

(1)

Implica(ons  of  Higgs  Boson  Mass  for  New  Physics  

               Nobuchika  Okada  

University  of  Alabama,  Tuscaloosa,  AL

This  talk  is  based  on  several  works  in  collabora=ons  with    

Workshop  2012@University  of  Kobe,  March  13-­‐14,  2012  

Ilia  Gogoladze,  Naoyuki  Haba,  Bin  He,  Shigeki   Matsumoto,    

Qiasar  Shafi,  Toshifumi  Yamashita  

(2)

Introduc(on  

The  Standard  Model  (SM)    

         is  the  best  theory  in  describing  the  nature  of      

         par(cle  physics,  which  is  in  excellent  agreement              with  almost  of  all  current  experiments  

Two  basics  structures  of  the  SM  

Gauge  symmetry:      

Higgs  mechanism:  

Mass  genera=on  mechanism

(3)

The  Standard  Model    

Gauge  group:    

Par=cle  contents:  leptons  &  quarks  &  Higgs  doublet   QCD  int.     Electroweak  int.    

Gauge  fields:        

gluon    

                                 
(4)

Electroweak  Symmetry  Breaking  &  Higgs  mechanism    

Higgs  doublet  scalar        under  

Massive  weak  gauge  bosons  &  Higgs  boson   Higgs  poten=al:    

Electroweak  symmetry  breaking:    

Higgs  mechanism:    

 Fermion  masses  are  also  generated  

(5)

W  &  Z  bosons  get  masses  through  gauge  coupling  

Fermions  get  masses  through  Yukawa  coupling   Ex)  top  quark  mass    

Higgs  boson  mass  

(6)

  The  success  of  the  Standard  Model  

All  par=cles  have  been  observed  (except  Higgs  boson)  

The  nature  of  the  gauge  theory  has  been  precisely  checked     (Ex)  LEP  Experiment  

 Z-­‐boson  produc=on  @Z-­‐pole      Huge  number  of  Z  bosons    

 Very  precise  measurements  

(7)

Gauge  interac=ons  

          very  precisely  checked  by  experiments     Symmetry  breaking  &  Higgs  mechanism    

          Higgs  has  not  yet  been  observed                        Need  to  check    

                         Origin  of  symmetry  breaking  &  mass  genera=on      

Current  Status  of  the  SM

In  addi=on,  several  experimental  results  and  theore=cal  

considera=ons  suggest  the  need  of  new  physics  beyond  the  SM

LHC  experiment  (ATLAS  &  CMS)  is  now  hun(ng    

                       Higgs  boson  &  New  Physics

(8)

Suppose…..  

           Higgs  boson  is  discovered  and  Higgs  mass  is  measured    

  measurement  of  Higgs  quar(c  coupling  

What  is  implica=on  of  Higgs  boson  mass  for  New  Physics?    

New  Physics  takes  place  at  some  high  energies     Higgs  mass  measurement    

=  Higgs  quar=c  coupling          at  low  energy

Extrapolate  the  quar=c  

coupling  to  high  energies  

(9)

   From  the  Higgs  poten=al  in  the  SM,          Higgs  quar=c  coupling  determines  

Once  Higgs  mass  is  measured,  its  high  energy  behavior  can   be  understood  via  RGE  running  of      

Theore(cal  Higgs  mass  bounds

Ini=al          is  large                                                                  is  increasing                                        small                                                                  is  decreasing

 top  Yukawa  is  important

(10)

RGE  extrapola(on  of  the  Higgs  quaric  coupling

(11)

What  this  picture  tells  us?  

Perturba=vity  bound:  

Vacuum  Stability  bound:      

 for    

Theore=cal  bound  on  Higgs  boson  mass  

 

In  the  SM,  if  we  fix  

 Higgs  mass  should  be  in  the  range

   

Cabibbo,  Miani,  Parisi  &Petronsio,   NPB  158,  295  (’79)

,  …….  

If  a  Higgs  mass  is  found  in  this  rage,  the  SM  can  be  

extrapolated  to  the  Plank  scale  without  theore(cal  

problems  for  the  quar(c  coupling  

(12)

Precision  electroweak  measurement  and  direct  bounds  by  LEP  &  

Tevatron  favor  a  low  Higgs  mass  

(13)

Recent  LHC  results  for  Higgs  boson  hun(ng

Combined  results  via  

ATLAS   CMS

Observed  exclusion  at  95%  CL:    

 110-­‐117.5,  118.5-­‐122.5,  129-­‐539   95%  CL  allowed  mass  range:      

114.4-­‐127.5  GeV    

An  excess  of  evens  has  been  observed  around  the  Higgs  mass  

125  GeV  with  local  significance  ~  3  sigma  

(14)

From  the  recent  LHC  results,  Higgs  mass  is  likely  to  be   below  the  vacuum  stability  bound  ~129  GeV

Implica(ons?  

 

Case  1:    Cutoff  is  Planck,  but  RGE  running  is  altered  by  some                                        new  physics  effects    

SM  running  

?  

RGE  running  is  

altered  by  new  

physics  effects

(15)

 

Case  2:    Theory  has  an  effec(ve  cutoff  <  MP      

Stability  Higgs  mass  bound  as  a  func(on  of  an  ``effec(ve  cutoff’’

LEP  bound

Higgs  signal  at  LHC?  

(16)

In  both  the  case  (1)  and  (2),  we  need  New  Physics      

What  kind  of  new  physics  can  

account  for  case  (1)  and/or  (2)?

(17)

Oscilla=on  data  

Neutrinos  have  masses  &  mixings            Mass    =ny!    

       Mixing  angle    large    

For  case  (1):  Seesaw  extension  of  the  SM  

(18)

Seesaw  Mechanism:  mechanism  to  naturally  explain    =ny  mass  

Effec=ve  operator:    

If  the  seesaw  scale                             

Naturally,                            

   

The  seesaw  scale  lies  in  intermediate  scale  or  less    

(19)

Type  I  Seesaw  

Type  II  Seesaw  

 origin  

 origin  

SM  singlet  fermion  

SM  SU(2)    triplet   scalar  

Type  III  Seesaw  

 origin  

SM  SU(2)  triplet   fermion  

(20)

 

Running  mass:

   

 

We  choose  

SM  running  

In  all  seesaw  scenarios,  new  par=cles  couple  to  Higgs  doublet    

  contribute  to  Higgs  quar=c  RGE  for    

 

Contribu=ons  

         by

    :  type  I  

:  type  II  

:  type  III  

(21)

Type  I  seesaw  

 

Modifica=on  of  RGEs  in  the  presence  of  3  singlet  fermion        with    

For  simplicity,  we  assume  3  degenerate  Ns:        

Light  neutrino  mass  matrix:  

SM  RGEs  

*  We  employ  2-­‐loop  SM  RGEs  +  1-­‐loop  new  RGEs    

 Casas,  Clemente,  Ibarra  &  Quiros,        PRD  62,  053005  (2000)  

(22)

In  order  to  realize  the  neutrino  oscilla=ons  data  

Assump=on  I  :                          is  real                                      

:  degenerate  RH  neutrino  masses   Through  the  seesaw  mechanism,    

3  by  3  light  neutrino  mass  matrix:    

Assump=on  II:    MNS  mixing  matrix  =  tri-­‐bi-­‐maximal  

(23)

Results:      red    :  hierarchical  case    

                                 blue:  inverted-­‐hierarchical  case  

SM  result  

Perturba=vity  bound  

Stability  bound  

Higgs  mass  window  is  closed  

 *  Here  Higgs  mass  evalua=on  is  not  so  precise    

       From  two-­‐loop  RGE  improved  1-­‐loop  effec=ve  poten=al  analysis               

Stability  bound  is  s=ll          >129  GeV    

Not  relevant  to  our  case

(24)

Type  III  seesaw  

 

Modifica=on  of  RGEs  in  the  presence  of  3  triplet  fermions        with    

 Gogoladze,  N.O.  &Shafi,      Phys.  Ler.  B  668  (2008)  121  

For  simplicity,  we  assume  3  degenerate  triplets:        

Light  neutrino  mass  matrix:  

Type  III  is  similar  to  Type  I,  but  we  introduce    

(25)

SM  RGEs  

*  We  employ  2-­‐loop  SM  RGEs  +  1-­‐loop  new  RGEs    

 

(26)

We  did  the  same  analysis  as  in  Type  I  case   Results:      red    :  hierarchical  case    

                                 blue:  inverted-­‐hierarchical  case  

SM  result  

Perturba=vity  bound  

Stability  bound  

Higgs  mass  window  is  closed  

Wider  than  the  SM  result  

 Gogoladze,  N.O.  &Shafi,      Phys.  Ler.  B  668  (2008)  121  

(27)

Type  III  seesaw  can  lower  the  SM  stability  bound    because  the   presence  of  SU(2)  triplets  alters  the  SU(2)  gauge  coupling  

running    

In  order  to  lower  the  stability  bound,  the  triplet  mass  scale   should  be  low         Neutrino  Dirac  Yukawa  is  small

More  detailed  analysis  in  the  light  of  LHC  results  

We  generalize  the  analysis  to  the  cases  with  1,  2  and  3  

genera(ons  of  SU(2)  triplet  right-­‐handed  neutrinos      

(28)

He,  N.O.  &  

Shafi,  in   prepara=on  

Stability  bound  in  SM

Higgs  signal  at  LHC?  

1  genera=on

 degenerate  2  genera=ons

In  Type  III  seesaw  extended  SM,  the  stability  bound  can  be     around  125  GeV

For  2  genera=ons  case:  

For  3  genera=ons  case:  

(29)

Type  II  seesaw  

 Gogoladze,  N.O.  &Shafi,      Phys.  Rev.  D  78  (2008)  085005  

We  introduce  a  triplet  scalar  field  

Scalar  poten=al    

Many  new  couplings:    

(30)

Neutrino  Yukawa  coupling:    

   Tadpole  term  for  the  triplet  scalar    

  Neutrino  mass:    

Aser  integra=ng  out  the  heavy  triplet,  we  have    

SM  Higgs  quar=c  is  defined  as    

(31)

Now  we  solve  RGEs  in  the  presence  of  Type  II  seesaw    

SM  RGEs  

*  We  employ  2-­‐loop  SM  RGEs  +  1-­‐loop  new  RGEs     Many  free  parameters:    

 

 with  the  matching  condi=on:  

(32)

RGEs

(33)

Fixing    the  cutoff  scale                    ,  we  inves=gate  Higgs  mass  bounds

   

Vacuum  stability  bound:  the  lowest  Higgs  boson  mass  which  sa=sfies                                                                                                                                  for  any  scale  between  

   

Perturba=vity  bound:  the  highest  Higgs  boson  mass  which  sa=sfies                                                                                                                                        for  any  scale  between  

   

Analysis  is  quite  involved…..  

We  focus  on  parameters:      

 appear  in  Higgs  quar=c  RGE  

 shiss  Higgs  quar=c  coupling  @                    by  the  matching  condi=on   We  analyze  RGEs  for  various                  at  the  cutoff    with  others  fixed      

(34)

Higgs  mass  bounds  versus              for  various    

Window  is  closed  

Perturba=vity  bound  

Stability  bound  

Example  of  results

Even  the  perturba(vity  bound  can  be  <  114.4  GeV

 Gogoladze,  N.O.  &Shafi,      Phys.  Rev.  D  78  (2008)  085005  

(35)

For  case  (2):  lowering  the  cutoff  

Examples:    Randall-­‐Sundrum  type  model:    

                                                                                                         with  the  warp  factor                                                

                                       non-­‐minimal  gravita(onal  coupling:    

He,  N.O.  &  Shafi,  Phys.  Ler.  B  (2011)  219  

More  interes(ng  example:    5D  gauge-­‐Higgs  unifica(on    

(36)

Gauge-­‐Higgs  Unifica(on  (GHU)  model  in  flat  5D  

Bulk  Standard  Model  

5-­‐dim.  theory  compac=fied  on  orbifold  

y   SM  

All  SM  fields  reside  in  the  bulk  

 Crucial  difference  is    Higgs  boson  is  unified  into  5th  component  of      gauge  fields  in  higher  dimension              

(37)

Basic  structure   5  dim  SU(3)  gauge  theory  (toy  model)  

adj   doublet   doublet   singlet   SU(3)  gauge  =  

Impose  non-­‐trivial  boundary  condi=ons  (parity  assignment)  

 are  Z2  even  fields,  others  odd  fields   Zero  modes  for  odd  fields  are  project  out,    

So    SU(3)  is  broken  to  SU(2)    =mes  U(1)    by  this  parity  assignment  

(38)

Proper(es

(1)  The  SM  Higgs  doublet    is  iden(fied  as  the  5

th

 component                  of  5D  bulk  gauge  field      

(2)  Mass  term  and  Higgs  self-­‐coupling  are  protected  to  be  zero                by  the  5D  gauge  invariance  

(3)  5D  gauge  invariance  is  broken  by  the  boundary    

           condi(ons  and  as  a  result,  Higgs  mass  and  self-­‐coupling                are  induced  through  quantum  correc(ons  at  low  energies       (4)  However,  there  is  no  quadra(c  divergence  in  the  theory    

(5)  Low  energy  effec(ve  theory  of  the  model  is  equivalent                  to  the  SM  with  a  certain  boundary  condi(on  

Gauge-­‐Higgs  condi=on:  

Haba,  Matsumoto,  N.O.  &  

Yamashita,  JHEP  02  (2006)  073  

5D  flat  GHU  at  low  energies    =    SM  +  GH  condi(on    

                                                                                                                 for  Higgs  self-­‐coupling      

(39)

Higgs  boson  mass  from  GHU      

 in  effec(ve  theore(cal  point  of  view  

             * We  do  not  care  about  the  fine-­‐tuning  of  Higgs  mass^2                              for  the  moment  

Gogoladze,  N.O.  &  Shafi,     Phys.  Ler.  B  655  (2007)  257  

       We  impose  the  Gauge-­‐Higgs  condi(on  for  the                  Higgs  quar(c  coupling  and  predict  Higgs  mass              as  a  func(on  of  the  compac(fica(on  scale        

  Equivalent  to  the  stability  bound  

(40)

Stability  Higgs  mass  bound  as  a  func(on  of  an  ``effec(ve  cutoff’’

LEP  bound

Higgs  signal  at  LHC?  

  Predic(on  of  Higgs  mass  in  the  GHU  as  UV  comple(on  of  SM  

Update  of    Gogoladze,  N.O.  &  

Shafi,    Phys.  Ler.  B  655  (2007)  257  

(41)

We  may  fix  the  compac(fica(on  by  considering  the  unifica(on  of   gauge  coupling  and  top  Yukawa  coupling

Higgs  mass  predic=on:    121  GeV  for  

(42)

        Original  mo(va(on  of  GHU  is  to  solve  the  gauge  hierarchy   problem  

  Compac(fica(on  scale  ~  1-­‐10  TeV                                     Predicted  Higgs  boson  mass  is  too  low

SU(3)  (mes  U(1)  GHU   with  SU(3)  an  adjoint   fermion  in  the  bulk    

Haba,  Matsumoto,  N.O.  &  

Yamashita,  JHEP  02  (2006)  073  

(43)

SU(3)  (mes  U(1)  GHU   with  SU(3)  adjoint  

fermions  in  the  bulk    

Haba,  Matsumoto,  N.O.  &  

Yamashita,  JHEP  02  (2006)  073  

(44)

The  discovery  of  the  mechanism  for  the  electroweak  symmetry  

breaking  and  mass  genera(on  is  a  major  goal  of  the  physics  program   at  the  LHC    

  Higgs  boson  (and  also  new  physics)  is  being  intensively  hunted     The  allowed  mass  range  for  the  Higgs  boson  to  hide  is  being  

squeezed  drama(cally,  and  Higgs  boson  will  be  discovered  soon       Higgs  mass  has  an  very  important  implica(on  for  new  physics  in  the   view  point  of  the  stability  bound  because  the  LHC  results  constrain   Higgs  mass  below  the  SM  stability  bound  with  Planck  mass  cutoff        

In  order  to  change  the  cutoff  or  RGE  evolu(ons,  we  need  to  consider   new  physics,  even  though  it  has  not  been  discovered    

Conclusions

(45)

Referensi

Dokumen terkait

Given these conditions, the researcher is interested in conducting a research on how the teachers use English as the medium of instruction in teaching Physics

Based on the above, of various types of written test, essay test is a good one to explore the physics higher order thinking skills in junior high school.. To measure

Testing and evaluation is done by using a program that has been created to process data signals that are generated by a predetermined signal parameter. The

The objective of the research is to find out the accuracy of the translation text issued in Physics bilingual text book for seventh grade of junior high school

The Census in New Zealand is normally conducted every five years.3 The present research has been made possible by access to the New Zealand Integrated Data Infrastructure IDI, which

Therefore, based on the obtained results, the Physics Module based on PjBL on the topic of planetary motion in the solar system is deemed suitable to be used in the learning process by

The validity value of the integrated scientific literacy worksheet for the use of physics practicum KITon material elasticity material is 0.85 with a very valid category based on the