Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Neuer Ansatz zum Verständnis der Masse des Higgs-Teilchens

Autoren
Goertz, Florian
Abteilungen
Abteilung Teilchen- und Astroteilchenphysik
Gruppe Neue Physik, elektroschwache Symmetriebrechung und Flavor (NEWFO)
Zusammenfassung
Der Nachweis eines Higgs-artigen Teilchens am Large Hadron Collider (LHC) des CERN war eine der größten Entdeckungen der letzten Jahrzehnte Allerdings passt seine geringe Masse nicht zu allgemeinen physikalischen Argumenten. Die meisten Modelle, die diese erklären könnten, indem sie das Higgs-Teilchen als aus fundamentaleren Teilchen zusammengesetzt beschreiben, sagen andererseits leichte Partner-Teilchen des Top-Quarks vorher, die aber am LHC noch nicht gefunden wurden. Ein neuer Mechanismus der Symmetriebrechung könnte dieses Problem lösen.

Das Hierarchieproblem und ein Higgs-Boson mit Substruktur

Nach dem derzeitigen Verständnis der Natur erhalten Elementarteilchen ihre Masse durch den  sogenannten Higgs-Mechanismus. Das zugehörige Teilchen, das Higgs-Boson, ließ sich schließlich 2012 am Large Hadron Collider (LHC) des CERN nachweisen. Es ist allerdings immer noch unverstanden, warum seine gemessene Masse von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) um viele Größenordnungen kleiner als die Planck-Masse oder die Skala der großen vereinheitlichten Theorie (Grand Unified Theory, GUT) ist.

Dieses sogenannte Hierarchieproblem ließe sich lösen, wenn das Higgs-Teilchen nicht elementar wäre, sondern bei Energien, die nicht zu weit über denen der LHC-Kollisionen liegen, eine Substruktur aufweisen würde. Dies würde Quantenkorrekturen zu seiner Masse von großen Skalen abscheiden. Das Higgs-Boson wäre also aus fundamentaleren Teilchen zusammengesetzt, etwa wie Pionen, die auch aus elementaren Quarks bestehen und durch die starke Wechselwirkung gebunden sind. Zudem nimmt man allgemein an, dass das Higgs-Teilchen ein sogenanntes Goldstone Boson ist, das einer spontan gebrochenen globalen Symmetrie entspringt. Dies ist eine Symmetrie, welche die Theorie der zusammengesetzten Teilchen besitzt, die aber im Grundzustand „versteckt“ ist − so wie ein komplett rotationssymmetrischer Ferromagnet unterhalb der Curie-Temperatur eine spontane Magnetisierung in einer Richtung erfährt. Diese Symmetrie macht Quantenkorrekturen überflüssig und kann zudem erklären, warum das Higgs-Boson leichter ist als andere neue Teilchen. 

In bisher bekannten Modellen wird dieser Schutz aber zerstört, indem die Symmetrie auf eine stärkere Art explizit gebrochen wird. Dies geschieht dadurch, dass das schwere Top-Quark stark mit dem Sektor des zusammengesetzten Higgs-Bosons wechselwirkt, was diese Symmetrie verletzt. Das führt dazu, dass das Higgs-Teilchen auch in solchen Modellen gewöhnlich  merklich schwerer ist als 125 GeV – es sei denn, man erlaubt leichte zusammengesetzte Partnerteilchen des Top-Quarks bei Massen, die allerdings gerade durch Suchen der LHC-Experimente ausgeschlossen werden. Dies macht die Idee eines Higgs-Teilchens mit Substruktur zur Lösung des Hierarchieproblems insgesamt weniger attraktiv.

Weiche Symmetriebrechung zur Vermeidung leichter Top-Partner

Abb. 1: Masse des leichtesten Top-Quark-Partners, m T, in Abhängigkeit von der Higgs-Masse, m Higgs, in der Standardrealisierung eines Higgs mit Substruktur (MCHM5, braun) und in der neuen Realisierung mit weicher Symmetriebrechung (grün) [1]. Die hellen Punkte führen zu unrealistischen Higgs-Massen und der rote Streifen steht im Konflikt zu LHC-Suchen, welcher durch das neue Mode ll vermieden wird.

Kürzlich haben wir am Max-Planck-Institut für Kernphysik eine elegante Methode vorgeschlagen, um dieses Problem durch Einführen einer neuen Kopplungsstruktur des Top-Quarks an den Sektor der zusammengesetzten Teilchen zu lösen [1]. Die oben erwähnte explizite Brechung der globalen Symmetrie können wir so vermeiden und stattdessen komplett in den Sektor der elementaren Teilchen verschieben. Dort wird die Symmetrie „weich“ – also durch massebehaftete Terme kontrolliert – gebrochen. Die so abgespaltene Symmetriebrechung wirkt sich nun weniger auf das zusammengesetzte Higgs-Boson aus, das folglich – in Übereinstimmung mit den Beobachtungen – leicht sein kann. Dies ist jetzt möglich, ohne die problematischen ultraleichten Top-Partner einzuführen (siehe Abb. 1).

In Kollaboration mit Forschern an der Cornell-Universität in den USA haben wir weiter an dem Modell gearbeitet und es mit dort entwickelten Ideen verknüpft. Durch eine zusätzliche Erweiterung der Symmetrie der zusammengesetzten Teilchen, von den Forschern dort als „maximale Symmetrie“ bezeichnet, passen die numerischen Vorhersagen des Modells nun auch noch natürlicher zur etablierten Struktur der spontanen Eichsymmetriebrechung als die anderer minimaler Modelle, ohne dass weitere Feinabstimmungen nötig wären.

Dies gelingt durch die Struktur der beiden neuen Ansätze, die sich optimal ergänzen und ein zusammengesetztes Higgs-Teilchen im Einklang mit allen bisher am LHC gemessenen Eigenschaften und Ausschlussgrenzen natürlich entstehen lassen [2] und so das Hierarchieproblem lösen.

Modelle mit Zusatzdimensionen zur genaueren Beschreibung

Abb. 2: Extradimensionale Beschreibung des Higgs mit Substruktur. Das Top-Quark (t, blau) – nicht aber andere Quarks (u, grün bzw. b, braun) – koppelt stark an den Sektor des zusammengesetzten Higgs. Dieser ist nahe einer der 4-dimensionalen Begrenzungen der Extradimension (orange Balken) lokalisiert und durch die gestrichelte Linie und den rosa Bereich visualisiert.

Um noch spezifischere Vorhersagen treffen zu können, übersetzen wir das Modell momentan in eine extradimensionale Sprache. Modelle mit einer zusätzlichen – winzigen − Raumdimension bieten nämlich durch das sogenannte holographische Prinzip eine duale Beschreibung der vierdimensionalen stark-gekoppelten Modelle mit einem Higgs als Bindungszustand. Dies macht Größen, die in der 4D-Theorie nicht ausgerechnet werden können, berechenbar und setzt sie mit der Geometrie der Raumzeit in Beziehung. Symmetriebrechungen entstehen hier durch Randwertbedingungen an die Profile der Felder, die nun in die Extradimension vordringen (siehe Abb. 2). Es stellt sich heraus, dass die eingeführte höhere Symmetrie diese Randbedingungen viel einfacher macht als in herkömmlichen Modellen. Durch die neue, weich gebrochene Symmetrie wird (wie in 4D) die starke Kopplung des Top-Quarks an den Higgs-Sektor, welche hier einem großen Überlapp der entsprechenden Profile entspricht und sonst das Higgs-Teilchen zu schwer machen würde, weniger problematisch.

Insgesamt haben wir gezeigt, wie man natürliche Modelle mit zusammengesetzten Higgs-Teilchen in Einklang mit LHC-Daten formulieren kann, sodass sie attraktive Kandidaten für die Lösung des Hierarchieproblems bleiben, und wir auf eine Entdeckung am Ende der LHC-Laufzeit oder an einem zukünftigen 100-TeV Beschleuniger hoffen können.

Literaturhinweise

1.
S. Blasi and F. Goertz
Softened symmetry breaking in composite Higgs models
Physical Review Letters 123 (2019)
2.
S. Blasi, C. Csaki, and F. Goertz
A Natural Composite Higgs via Universal Boundary Conditions
arXiv:2004.06120 [hep-ph]
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