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  SU (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 T W  T W  ig Z T 3  sin 2  wQ Z   ieQA 2 1 gv 2 1 2 2 mZ  g +g v 2  V         2 † 2 †  2 mH  2 v mW  mH   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。 mH  114.4 GeV 69 45 mH  114 GeV 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  260 GeV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 1 2   12    2  d 16  Q  1 3 4   v mH  2 v Q2 where   ln 2 v Q2 1  2   v  ln 2 4 v   v  ln 2 3  2 Q  0　で　  Q    v2 ヒッグス質量の上限値 mH 2  2v 2   v   Q  8 2 v2  3 ln  2 / v 2    mH 2 8 2 v2  3 ln  2 / v 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 TeV ) mH  1 TeV u, d, g, ‥‥間の衝突エネルギー s O(TeV) の探索が可能ヒッグス粒子にも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）  VMSSM  m12 1  m22  2  m32 1† 2   †21 2  2  1 2 2 2 2 2   g  g  1   2    8 1 2 † 2  g 1  2 2  ヒッグス２重項は２つ   H1   1   1  v    i    1 1 1    2    H 2   2   1  v2  2  i 2    2   mA2  m12  m2 2 mh , H 2 1   mA 2  mZ 2 2 m 2 A  mZ 2  2   4mA 2 mZ 2 sin 2 2    mH  2  mA 2  mW 2 ２つのパラメータ mA , tan   v1/v2 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 VNMSSM  m12 1  m22  2  mN2 N 2 2 2 kA     A N 1 2  k N 3  h.c. 3    2  1 2  kN 2   2 1   2  1 2  g  g 2 8   1 2  2 Physical Higgs bosons h, H1, H2 , A1, A2 , H  2 2  N 2  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  VTHDM  m12 1  m22  2  m32 1† 2   †21 2  1 2 1  4 2 2 2 2  4   2  † 1  2  3 1  2 4 2 MSSMでは、超対称性により  2           2 5 2 † 1 1  2  ＴＨＤＭでは  2  2 † 2  1  1 2 2 1 g +g , 3  g 2  g2 4 4  1 2 4   g 2 , 5  0  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   mH  mtree  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 2 2 2 m  m  O   O  ２． H tree SUSY, little Higgs （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 mH  300 GeV for mKK  3  5 TeV 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） (1013 秒後) 現在高超対称性新素粒子標準模型 1000 GeV 低リトルヒッグス