限制的第四代费米子希格斯玻色子的搜索

文摘

我们回顾过去和现状的扩展标准模型(SM)的第四代费米子。尤其是对希格斯玻色子搜索新的结果LHC和Tevatron排除的可能性有简单的扰乱性的第四代费米子与一个希格斯紧身上衣(SM4)。我们还简要提及SM4更复杂的扩展,尚未排除在外,像添加除了另一个希格斯SM4紧身上衣。

1。介绍

在标准模型(1,2]W和Z波色子的质量是通过所谓的希格斯机制生成的(3- - - - - -7]。群众也都费米子可以通过这种机制通过创建汤川交互。示意图的拉格朗日SM读取 第一项(1)描述了表字段的强、弱、电磁相互作用,第二项描述了质量费米子和他们的交互与测量领域。第三和第四项代表了自由的标量场,希格斯粒子的潜力,和标量场的相互作用测量领域。希格斯粒子的特殊形式可能会导致质量的一些规范玻色子。最后一项描述了费米子之间的相互作用和标量场,所谓的汤川交互。在上面的方程费密子一代是一个免费的参数的数量。实验三代已经被观察到,但是先天没有理由不能有更多的后代。汤川交互导致群众的费米子和Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)矩阵8,9),它描述了夸克的带电的电弱耦合测量玻色子和。对于两个费米子一代CKM矩阵由一个真实的参数(所谓的“卡比玻角),在三代三个真正的参数和一个复杂的阶段,对于四代有六个真正的混合角和三个复杂的阶段。复杂耦合的理论会引起cp破坏和CKM部门是唯一SM的一部分,在cp破坏实验检测。cp破坏是特别有趣,因为它是一个三萨哈罗夫标准(10- - - - - -12),允许动态创建的观察宇宙中重子不对称。在这个意义上,拥有三代费米子是一个最小的需求以cp破坏的自然的基本规律。然而,事实证明cp破坏的数量在CKM矩阵三代不足以解释重子不对称,同时与四代cp破坏的数量似乎是足够的(13]。这显然似乎是一个很好的动机研究的延伸SM与额外的费密子一代又一代。

除了给质量指标的弱相互作用玻色子和费米子希格斯机制预测也在其最简单的形式一个大规模的中性标量粒子的存在,希格斯玻色子。寻找希格斯玻色子是LHC的主要目标之一,这有可能实现2012年7月,当一个新的玻色子的质量约125 GeV ATLAS和CMS(观察到14]。这个新的玻色子的性质似乎按照SM希格斯玻色子的属性,但得出明确的结论还需要更多的数据。

在大型强子对撞机的主导生产的希格斯玻色子是胶子融合机制19),两个胶子夫妇去顶三角形,夫妇一个希格斯玻色子,见图1(来自[20.)——希格斯玻色子的回顾生产和衰变,看到21]。这个过程中详细研究了标准模型和许多修正它已经确定。领先的量子色修正已经计算在1991年(22- - - - - -24),他们是巨大的。根据希格斯色子的质量,它们可以高达100%。因此,它是必要的计算也NNLO量子色修正(25- - - - - -37]。还NLO-electroweak和混合QCD-electroweak修正测定的胶子融合(38- - - - - -44]。

在大型强子对撞机的一个是,然而,也敏感,下属音等生产流程相关向量boson-Higgs生产/ Higgs-Strahlung ()[45,46),矢量玻色子融合()[47],top-Higgs生产()。

2011年底的存在的一些提示Higgs-like玻色子的质量约125 GeV一直由阿特拉斯(48- - - - - -56)和CMS (57- - - - - -65年]。最强的信号被发现和频道,还和被调查。2012年3月Tevatron还小提示一个希格斯玻色子通过反应在质量相同地区(66年]。2012年7月2日,Tevatron更新他们的结果,他们发现了一个更强的迹象(67年]。相比2012年3月2.6个标准差的统计显著性增加到2.9个标准差。最后ATLAS和CMS 2012年7月4日宣布的观察Higgs-like玻色子(14]。阿特拉斯提出了结果衰减通道和(最近阿特拉斯也做一些数据的通道在阿特拉斯- conf - 2012 - 098。)获得5.0个标准差的统计显著性的玻色子的质量126.5电子伏特。CMS中除了,,获得4.9个标准差的统计显著性的玻色子的质量GeV。联轴器内错误同意SM的预期,尽管的信号强度通道是增强在阿特拉斯()和CMS ()。这里需要更多的数据来研究是否这是一个统计物理波动或第一次看到超出了SM。这些结果有深远影响的物理第四代费米子,这将在下面讨论。

2。希格斯在SM4生产和腐烂

2.1。该模型

我们定义SM4作为扩展的标准模型仅仅通过一个额外的手性费米子的家庭。其费密子内容读取 另外一个假设狄拉克重中微子的质量,只有一个希格斯紧身上衣,汤川的perturbativity联轴器。强烈的结论我们将的排斥SM4依靠这些假设,所以重要的是要记住他们。该模型的一些评论看,例如,(68年,69年]。

延长额外的SM费密子一代可能会改变许多直接可见,但也间接通过循环过程。因此,SM4受到许多约束:(1)直接搜索的生产重夸克和轻子的第四代LHC和万亿电子伏;(2)味道可见通过改变影响第四代CKM元素的值和通过循环过程;(3)电弱精密可见影响第四代通过循环过程;(4)希格斯粒子生产和衰减影响第四代通过循环过程。

前三个类别的限制将简单地加以讨论和上节课详细如下。

2.2。SM4的大量死亡

SM4已经杀死了很多次文学,然而,直到最近的理由排除SM4总是依赖一些附加不合理的假设,将下面的阐述。在1980年代第四代的想法是比较流行的,看到的,例如,(70年- - - - - -81年]。后来这种可能性被广泛认为是不吸引人,看到的,例如,(82年)为早日参考,参数如“而不是好4家人的存在可能是一个障碍对于我们理解物理模式的味道。”,对第四代的存在了。这样的声明的科学内容显然是有问题的。

后地蜡测量光的中微子数量非常接近3(83年),这被认为是一个进一步反对第四代,因为它是第四代的隐式地假定中微子是无质量的。然而,实际的绑定从LEPI只有有效光中微子,。中微子有质量的观察(后),(见,例如,84年,85年),它仍然被认为是不自然的第四个中微子应该重,而前三的是很轻。但是我们这里想强调,不排除任何原则,自然本身不自然的在上面的感觉!

电弱精密可见也很敏感,新重费米子循环的影响。PDG的文章从Langacker和话务量(83年)的影响SM4 Peskin和竹内参数(86年,87年]和被调查。具体地说,这些都是1-loop贡献- - -玻色子,自身能量与虚拟- - - - - -,夸克或虚拟和。很长一段时间从Langacker PDG的文章和话务量(见,例如,存档的83年)给人错误的印象,第四代要排除在电弱约束。我们列举一些语句PDG先前的版本。(我)1994:一个沉重的代普通费米子是允许在95% CL。(2)1998:一个额外的一代普通费米子现在99.2% CL排除在外。(3)2002:一个额外的一代普通费米子CL排除在99.8%的基础上参数仅。这个结果假设任何新的家庭是简并的。这个限制可以放宽到95%。(iv)2010:一个额外的一代的SM费米子是排除在6水平的基础上参数仅。这个结果假设任何新的家庭退化。因此,第四个家庭是不好的,但不排除当前数据。

关于上面的一些语句应该记住,没有理由去考虑参数,也没有理由只考虑一个退化第四的家庭。因此,我们考虑语句,这是根据这些假设,会误导人。

所以很长一段时间它是一个建立了偏见;SM4是排除在外。这种情况改变了相当显著的纸Kribs等人从2007年(88年]。本文为SM4的复活。直到2012年7月引用超过300次,再次对物理的兴趣的第四个家庭。作者在论文中显示,SM4进而不是排除在外,尤其是它与电弱精密可见不冲突。在更多的细节,他们注意到Peskin和竹内的变化86年,87年)参数可以通过类似的补偿在很大程度上改变参数,也就是说,在协议与数据没有太大的价值。这清楚地表明,它可以误导报表的基础上参数。此外新贡献可以通过考虑减少大规模分裂的第四代。最后SM4还可以补偿效应的高质量的希格斯玻色子。的作者(88年]国家”适合电弱数据协议的第四代,光希格斯粒子的存在以及适合单独标准模型 = 115 GeV。”所以现在SM4不仅不排斥,也不不好的电弱数据。(这个表述不一致,例如,2012版的83年,89年),还声称SM4不偏重SM相比。我们不要试图解决这个问题。

类似的争论的(88年)已经取得了以前从俄罗斯组(90年- - - - - -92年)和(93年,94年]。但这些论文设法引发这么多的兴趣社区(88年]。

不过,仍然有一些缺失点电弱的调查精度可见。首先,将第四代轻子质量视为自由参数允许,例如,也轻易退化第四夸克一代,看到的,例如,(15,95年]。在图2(来自[15)允许大规模分裂的第四代费米子根据Peskin和竹内参数的约束。清楚地看到一个质量退化夸克第四家庭并不排除。类似的结果,例如,在[95年,96年]。其次,也的完整CKM依赖和参数必须被包括在内。这是第一个完成(95年),导致了有趣的结果,即使现在固定轻子质量退化第四夸克一代是可能的。(电弱精度的主要CKM效果可见研究(97年,98年]。)在图3电弱的比较适合没有CKM混合,即手工设置,符合整个CKM的依赖。对于这两种情况下轻子质量是固定的。对于没有CKM混合(一个常用的假设,然而,不合理的原则!)发现一个退化夸克质量或多或少排除在外,虽然简并度是完全一致的数据,如果CKM混合是包括在内。允许自由轻子质量和CKM混合得到的结果图4。因此,简并度的第四代显然不是排除电弱精密可见。类似的结果,就像在图4(获得的96年]。第三,而不是Peskin和竹内参数当然需要使用完整的电弱可见。开发一个有效的方法来实现他们在99年]。这种方法是应用于18,One hundred.]结合来自希格斯粒子搜索的数据,将在下面讨论。的参数也在调查101年,102年SM4的情况下)。

第四代费米子可以对风味可见也有相当大的影响。首先,3 * 3 CKM矩阵将一般不再unitary-only CKM 4 * 4矩阵实现统一性。因此,当前的强有力的约束,例如,和不再是有效的,它们的值可以从SM值相当大的不同,获得在CKM适合,看到的,例如,(103年- - - - - -105年]。第二,新重费米子贡献通过循环味道中性线电流变化过程或混合。有很长一段时间以来几个SM预测之间的偏差和测量一定程度可见,看到的,例如,(106年],有合理的希望,这可能是第一个提示物理以外的SM和文学,这引发了很多的兴趣,例如,引用的列表(107年]。味道中可见SM4最近调查,例如,(108年- - - - - -119年]。因为CKM的成功范例(120年之间的CKM混合),也许有人会认为,第一个三代和第四个强烈约束极小值。它仍然很意想不到的味道约束仅允许FCNC巨大影响的过程。在[109年)详细解释为例,如何贡献的质量差异中性的盒子图介子系统比SM值大,可以通过修改后的补偿值CKM的元素,,并在较小程度上。也很意外的是更强的界限在CKM混合的第四代夸克实际上是获得电弱精密可见(95年,97年,98年]。不过有很多房间SM4 CKM部门新的效应,这或许可以解释上述差异的味道。不幸的是现在许多这些差异已经消失,因为新数据,特别是来自LHCb见,例如,(121年,122年]。也是一个长期差异有关轻子衰变美女似乎已经解决了实验的合作(123年]。

总结本节中,我们的结果作出以下声明:SM4可以轻松容纳所有风味和电弱数据和先前声称的排斥SM4依靠不正当的额外的假设。一件事要记住的是,目前双回线电弱修正电弱精度可见仍然失踪,这些修正可能相当大。

目前也有严格的限制,第四代夸克的质量从直接搜索(124年- - - - - -129年),把群众的价值观接近non-perturbative政权。在这里我们只愿意提到许多这样的分析依赖于一些额外的,nongeneral假设,例如,对CKM混合的第四代130年]。放弃这些额外的假设一个人通常相当弱的界限。

直到现在我们发现SM4耐药对所有实验的攻击。然而,在下一节中我们将表明,SM4不能遵守最近来自希格斯粒子搜索的数据。

2.3。常见的民间传说

关于希格斯粒子生产和希格斯粒子衰变常见的民间传说读取如下:胶子融合是增强了九倍(例如,131年)由于额外的运行- - -——夸克的循环图1因此SM4很容易死亡,如果没有巨大的希格斯粒子信号被观察到。另一方面在SM4严重取消出现腐烂(132年- - - - - -135年]。在(13)88年]光希格斯粒子质量的情况下(即。,低于200 GeV)大致概括为 参考文献(136年,137年)获得更高的值——SM4值提高了4倍比SM的价值。文献[138年)仅提供值115 GeV至130吉电子伏特能量的增强因子在1.4和2.6之间。

尽管这些微小的差异有一个共同的结果:在SM4预计更或者至少尽可能多的希格斯粒子的事件(根据频道)在SM。因此,看到没有SM期望排除SM4之上。例如,这些线的参数可以在大型强子对撞机的解释希格斯粒子搜索在Lepton-Photon 2011年,参见[139年]。

然而,有两种可能的缺陷在这个论证,必须考虑,这可能会恢复的结论。

2.4。循环孔第一:看不见的希格斯粒子衰变

首先,还有沉重的第四个中微子的可能性比一半的希格斯轻质量。当前的实验范围不排除第四个中微子的质量比的一半大质量(取决于第四中微子)的生命周期。有一个中微子将打开一个新的无形的衰减通道,可以抑制其他希格斯分支比率,因此补偿的增强因子在SM4胶子融合过程。首次提出了这个想法(140年后来在进一步调查,例如,(141年- - - - - -145年]。更一般的轻子部门,中微子也可以有一个马约拉那性格,讨论,例如,在146年- - - - - -149年]。

2.5。循环孔二:巨大的NLO电弱修正

NLO-electroweak修正的希格斯粒子的生产已经确定midnineties [38- - - - - -40]。在这些作品占主导地位的贡献成正比测定。完全依赖重费米子的质量计算最近在16,150年]。结果事实证明,修正可以是巨大的。修正胶子融合过程如图所示5。希格斯粒子质量低(100 GeV - 200 GeV) NLO-electroweak修正是sizeable-of的顺序。对于大型群众希格斯(900 GeV)他们是巨大的,比−50可能和扰乱性的方法分解。

希格斯玻色子的衰变速率由NLO-electroweak修正相当大的影响。在图6比较不同的希格斯粒子分支比率在SM4和标准模型。希格斯玻色子的无形的衰变是没有考虑到这里。

从数据结果5和6一个获得以下对希格斯粒子搜索的期望: 对于一个比较我们的结果也表明88年](见(5)在括号中低于新值。总而言之,NLO-electroweak修正是巨大的,因此任何分析没有这些修正,也就是说,任何分析在2012年之前,无法提供可靠的结果。最严格的新结果现在预计减产的通道。

然而仍然有些小缺点,应该牢记。首先在NLO-electroweak修正的计算(16,150年]CKM混合被忽视。第二次的结果(16,150年)不给将军SM4的参数空间。参数范围大大扩展从v1(只有一个参数点)的16]v2,但是,例如,有趣的地区约60 GeV的中微子质量和相应的轻子质量,精度符合电弱可见,不可用。近似公式对于这个质量区域,然而,包括在最新版本(4.45)的项目HDECAY [151年,152年),2012年3月13日,成为公开可用。

2.6。关闭循环孔

完整的NLO-electroweak修正希格斯生产和衰变和一个看不见的希格斯粒子衰变的可能性考虑第一次(17在[],后来18,One hundred.,153年,154年]。我所知的实验调查在阿特拉斯(155年)和CMS (156年NLO-electroweak修正现在包括但第四个中微子的可能性的希格斯粒子衰变仍不能考虑。2012年Moriond之后所有的理论工具,尤其是NLO-electroweak修正,公开可用的,现在一个是第一次在一个位置可以得出明确的结论。假设一个希格斯125 GeV的质量得到9的增强因子胶子融合和希格斯粒子分支比率图7第四个中微子的质量的依赖。高中微子质量获得经典结果SM4预测希格斯粒子事件太多,因此,可以排除如果没有希格斯粒子事件超过预期在SM。低质量的第四个中微子SM4收益,然而,希格斯粒子事件比在SM。在图7还是一个近似NLO表达式是使用。的完整表达式将进一步抑制双光子通道约6倍,看到17]。中微子质量100 GeV至600吉电子伏特能量和一个希格斯125 GeV的质量得到了(17] 这显然意味着如果SM-like希格斯信号的双光子通道在LHC SM4是排除,因为最多20%的事件将在SM可以创建。因此,与普通的观点相反,SM4实际上可能被杀,因为预计减产的希格斯粒子,而不是一个生产过剩。

由于巨大的取消,现在出现腐烂然而,人们可能会查询理论预测的可靠性。在Moriond万亿电子伏也给出结果66年]在统计的不确定性,协议与SM的期望。在SM4预计最多SM事件的数量(17]。的结论17)是,如果希格斯玻色子的洋流提示生产和衰变的通道和提出2012年Moriond将与更多的数据保持在当前值,那么SM4将被排除在外,因为它大大减少事件预测这两个频道。

电弱可见精度和数据的结合符合希格斯玻色子生产和衰变了(One hundred.]。稍后更新,特别是数据通道在[18]。在图8拉希格斯玻色子通道的信号强度显示,比较SM3和SM4预测。事实证明,最大的效果是通道。这经典的期望是适用的:SM4预测率远高于观察。的渠道和产生相反的影响:SM4预测远低于观察实验。可以看到从图8SM也并没有描述数据的完美:数据和是高于预期,而数据吗和比预期更低。但总之SM描述SM4比的数据。这将在下面被量化。

在图9最适合的第四个中微子的质量结果的依赖关系。SM4只有一个小机会可行的地区,希格斯玻色子可以衰变无形两个中微子。这是强烈引发的数据;在这个频道SM4预测一个强大的增强,这是无形的衰减补偿的希格斯玻色子。前更定量:2012年巴黎高能物理会议上会议SM4是不好的SM 3.1个标准差(相比18]。(如何相应的更多信息可以确定价值的排斥,看到157年]。)

2.7。欢迎来到真实的世界

2012年7月4日,ATLAS和CMS宣布了新的希格斯玻色子的搜索结果(14]。新数据恶化的形势SM4在几个点。(1)ATLAS和CMS看到信号的统计显著性超过4个标准差。总观察率高于预期的SM(的一个因素阿特拉斯和的一个因素CMS)。SM4一个希望而不是减少至少5倍的速度与标准模型相比,看到(7)。因此,ATLAS和CMS单独看到信号,这是大约4个标准差远的期望SM4, SM4哪些规则。正如上面所讨论的,理论预测SM4患有严重的取消,所以可能不想依赖这个衰减通道。(2)2012年7月,也提供和D0更新他们的希格斯粒子搜索(67年]在Higgs-strahlung通道,上面所讨论的。有2.6个标准差的统计显著性增加(66年)2.9个标准差(67年]。在GeV Tevatron发现的信号强度SM,所以略高于预期,而SM4预计值低于0.35 (17]。再次走强迹象对SM4相比Moriond 2012年的状态。(3)在SM4期望很大的增强例如,通道,看到[18),没有观察到14在新数据)。的进一步反对SM4 4的水平。

在v2的17)以下结论是来自这些新结果:”…我们得出结论,标准模型使混乱的第四代和一个希格斯紧身上衣是排除了这个新实验发展。”

在这些新结果SM4之前排除了3.1个标准差;用新的数据我们预计SM4由五个标准差(排除158年]。

3所示。超出了简单的微扰SM4

结果,讨论了在这里,强烈依赖的假设perturbativity重费米子,也只适用于最小的希格斯粒子,也就是说,只有一个希格斯紧身上衣。

3.1。NonPerturbative SM4

non-perturbative第四代的调查可以发现,例如,在[159年]。

3.2。扩展的希格斯粒子领域

最简单的方法避免了每个额外的费密子一代界限也延长。第四代结合第二个希格斯双重讨论(93年,160年- - - - - -166年]。

4所示。讨论和结论

我们回顾了过去和现状的SM的扩展一个额外的手性代费米子。因此一个有趣的方面是,SM4多次被宣布死亡。但所有这些声明依赖一些不正当assumptions-giving模型仍然是可行的。这显然是社会学研究的一个有趣的话题:为什么有那么多的偏见反对这个简单模型的存在?然而,结果最后的SM4排除了实验数据(不幸的是我们没有学习物理学应该避免偏见的教训。):SM4不能适应大型强子对撞机所呈现的希格斯粒子搜索的新数据和万亿电子伏,因此,它是排除在外。

仍然有一些丢失的成分这样2-loop修正电弱精度内可见SM4人仍下落不明。此外NLO-electroweak修正希格斯生产和衰变被忽视CKM混合计算。

最后我们说简单,扩展除了希格斯粒子的部门,例如,通过一个额外的希格斯粒子偶极可能绕过许多每个边界。

确认

作者感谢Markus Bobrowski,奥托•爱伯哈Abdelhak Djouadi,杰弗里·赫伯特海科拉克尔,安德烈亚斯门泽尔,乌里Nierste,约翰·雷德尔Jurgen Rohrwild,海因里希•帕斯这样167年),达里奥Schalla,马丁Wiebusch愉快合作的主题相关的第四代费米子。他支持通过海森堡脱硫项目通过授予LE 1246/9-1也。

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