Theory and Phenomenology of Heavy Vectors in … · Conclusions Gino Isidori ... For instance, in...

37
Theory and Phenomenology of Heavy Vectors in Higgsless Models Introduction Heavy vectors in the EW Chiral Lagrangian and EWPO Phenomenology of the heavy vectors at the LHC The l + l  final state & present constraints from Tevatron Conclusions Gino Isidori INFN - Frascati ]  G. Isidori – Heavy Vectors in Higgsless models               Planck 2009,   Padova, May 25 th  2009

Transcript of Theory and Phenomenology of Heavy Vectors in … · Conclusions Gino Isidori ... For instance, in...

Theory and Phenomenology of Heavy Vectors in Higgsless Models

Introduction

Heavy vectors in the EW Chiral Lagrangian and EWPO

Phenomenology of the heavy vectors at the LHC

The l+l final state & present constraints from Tevatron

Conclusions

Gino Isidori[ INFN ­ Frascati ]

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models               Planck 2009,  Padova, May 25th 2009

  ℒHiggs(φ, Ai,ψi )  = Dµφ+ Dµφ  + µ2 φ+φ − λ (φ+φ) 2 + Yij ψLi ψR

j φ  

Experiments provide unambiguous indications that the SM gauge group is spontaneously broken [SU(2)L×U(1)Y  → U(1)Q ] 

Introduction

However, so far only the ground state of the SM Higgs Lagrangian

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

with the corresponding Goldstone­boson structure & the custodial symmetry, has been tested with good accuracy [     φ= 246 GeV ⇔ mW,Z    ] 

The only (weak) evidence in favour of a “fundamental” Higgs is obtained from EWPO: indirect indication of a light mH 

This indication holds under the hypothesis of an heavy cut­off for the SM viewed as an effective theory

SM Higgs mass  [GeV]

68% CL

95% CL

3000

500

100

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

naturalness problem for the Higgs mass term

T =330−WW 0

mW2

S=g

g '

d30 q2

dq2 q2=0

Peskin, Takeuchi, '90 Altarelli, Barbieri,  '91 ⋮Barbieri, Pomarol, Rattazzi, Strumia, '04

General formulation of the symmetry breaking in absence of a fundamental Higgs (or for large Higgs masses) in terms of the e.w. chiral Lagrangian:

DU = ­ig'BU+igUW

ℒ(2) =        Tr(DU+DU)  U    gR U gL

+  = e i/v

SU(2)L SU(2)R U(1)B­L   SU(2)L+R U(1)B­L 

  SU(2)L  S   R U(1)B­L   U(1)Q   U(1)Y 

3 Goldstone bosons of the SM

v2

4

 global:

 local:

v =  246 GeV 

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Do we really need a fundamental Higgs field ? 

Not  really:  The  only  clear  indication  of  EWPO  is  that  we  need  the  spontaneous   breaking of the SM gauge group, and that the breaking mechanism must respect, to a good  accuracy,  the  SO(4)   SU(2)LSU(2)R  global  symmetry  of  the  SM  Higgs potential

Weinberg, '79 Longhitano, '80­'81

Appelquist & Bernard, '80­81

      Tr(DU+DU)v2

4

Naive cut­off dictated by the convergence of EW loops: NDA 4v ~ 3 TeV

ℒ eff  = ℒgauge (Ai, ψi)  +  ℒYukawa(U, ψi )  +   

This Lagrangian contains all the degrees of freedom we have directly probed in experiments

WL()

WL()

WL()

WL()

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

SM Higgs mass  [GeV]

95% CL

3000

500

100

      Tr(DU+DU)v2

4

Violation of  unitarity in WLWL   WLWL (tree­level ampli.violates unitarity for s ~ 1 TeV)

Bad fit to S and T

ℒ eff  = ℒgauge (Ai, ψi)  +  ℒYukawa(U, ψi )  +   

ℒ eff  perfectly describe particle physics up to ~ 3 TeV, beyond the tree level, with only two drawbacks (which point toward the existence of new degrees of freedom below the naive cut­off):

This Lagrangian contains all the degrees of freedom we have directly probed in experiments

WL()

WL()

WL()

WL()

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Naive cut­off dictated by the convergence of EW loops: NDA 4v ~ 3 TeV

A natural alternative to fundamental scalars in curing the problem of unitarity in WLWL   WLWL scattering is represented by heavy vector fields

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Heavy vectors are indeed expected in many non­SUSY scenarios [e.g.: the techni­rho in technicolor, the massive gauge bosons in 5­dimensional theories or their 4­dim. deconstructed versions (3 sites, 4 sites, ... )...]

As is well known from the early days of technicolor, the difficult task is to cure at the same time unitarity and EWPO

ℒ   =                                + ℒkin(R,U, Ai; MR) + ℒint(R,U, Ai; GR)

The indirect constraint on this class of models, as well as the LHC phenomenology, can be analysed in general terms constructing an appropriate 

effective chiral Lagrangian with the heavy vectors as new explicit d.o.f.

      Tr(DU+DU)v2

4

ℒ eff  = ℒgauge (Ai, ψi)  +  ℒYukawa(U, ψi )  + ℒ   

Heavy vector in the EW Chiral Lagrangian and EWPO

We consider an effective theory based on the following 3 simple and rather general assumptions:

The (new) dynamics that breaks the SM e.w. symmetry is invariant under the global symmetry SU(2)L SU(2)R and under the discrete parity L  R 

One vector (V), or one vector + one axial­vector (V+A), both belonging     to the adjoint representation of SU(2)L+R (triplets), are the only light fields 

below a cut­off  = 2­3 TeV 

The SM fermions interact with the new states only via the SM gauge fields

Barbieri, GI, Richcov, Trincherini '08

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Having defined the spectrum and the symmetry, it is (almost) straightforward to write the Lagrangian, ordering the operators according to the standard derivative (momentum) expansion

In the case of heavy spin­1 fields, there is a peculiar problem related to the possible mixing of the heavy states and the Goldstone bosons.

Describing the heavy states in terms of Lorentz vectors (V & A), we have a 

possible mass­mixing of O(p)  [ tedious redefinition of the fields and miss­match in the power counting at low energies ]

V   V +   [, ] + ... A   A +    + ...  

This problem can be avoided describing the heavy spin­1 states by means of antisymmetric tensors  (  R  = V ,  A ): Gasser & Leutwyler, '84

Ecker et al. '89

   = ½ [u Du u D u] u = U  

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Ecker et al. '89

V

p2p2

p4

MV2

In  the  antisymmetric  formulation  the  couplings  between  heavy  fields  and Goldstone  bosons  start  at  O(p2)   integrating  out  the  heavy  fields  we  are automatically  projected  into  the  basis  of  the  O(p4)  chiral  operators  with  light fields only.  

In QCD case  this procedure  leads  to a successful description of all  the  leading O(p 4) light­field couplings

One­to­one relation between the O(p2) (lowest­order) couplings of the heavy  vectors and the O(p4) Goldstone­boson operators.

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

N.B.: starting from a fundamental theory with massive gauge bosons,            the transformation to the antisymmetric­tensor formalism can be by obtained by an appropriate matching procedure.  

V

A

     WL

      WL 

+  FV

+ FA

 GV

WT + BT   V

+V

+  ...

+V +  ...

WT ­ BT  +

A +  ...

The dynamics of the system below the cut­off is  described by 3 + 2 parameters: (MV, GV, FV) + (MA, FA).     

Naive dimensional analysis implies FV(A), GV  = O(v)

N.B.: Specific UV completions of this effective theory correspond to specific choices of the free parameters.  

For instance, in hidden gauge models (or 4­dim. deconstructions), such as            SU(2)L SU(2)N

 SU(2)R, we always have FV = 2 GV   

[ u=i uD Uu    u = U ]

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 Control unitarity:V

WL 

WL 

GV

WL 

WL 

WL  

WL  

+  = 

 A    =

ℒ(2) no tree­level violation 

of unitarity for   

GV2

GV2  

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 Control unitarity:V

WL 

WL 

GV

WL 

WL 

WL  

WL  

+  = 

ℒ(2) no tree­level violation 

of unitarity for   

GV2

GV2  

N.B.: The unitarity constraint is  almost insensitive to the value MV

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 Control unitarityV

WL 

WL 

GV

A

WT (BT  ) V

WT (BT)  

FV

FA

Tree­level positive contribution to S: (which worsen the agreement with EWPO) 

SM Higgs mass  [GeV]

500

100

3000

WT                                         BT  V, A

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

VGV

A

VFV

FA

WL 

BT 

WL 

BT 

WL 

BT 

 Potentially large (quadratically divergent)positive one­loop  contribution to T

BTWL

  WL

 

V, A 

At the one­loop level the situation can becomequalitatively very different

One­loop breaking of the custodial symmetry due to g'  0  

SM Higgs mass  [GeV]

500

100

3000

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

vectors(tree)

vectors(1­loop)

The leading contributions to S & T generated by the exchange of  single heavy fields are:

O(1) factor [ replaced by some 

heavy mass]

Two natural ways to accomodate the EWPO bounds:

Both V and A light, almost degenerate                                           (good fit with FV   2GV)

Only V light, with small FV  (FV   ≪  2GV) 

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Barbieri, GI, Richcov, Trincherini '08

Putting all the ingredients together, EWPO& unitarity can be accomodated               for specific choices of the free parameters:

Main conclusion:

We need at least one relatively light vector field

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Barbieri, GI, Richcov, Trincherini '08

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

This conclusion is based on a pure phenomenological approach (with the effective couplings in the NDA range). 

Natural questions to address, if we aim to determine the UV completion of this model:

Is the large contribution to T (~ quadratic divergence) compatible with existing models? 

No if the heavy vectors are the gauge bosons of a broken hidden gauge symm. (with ren. Lagrangian)

Yes in generic QCD­like frameworks (heavy vectors = composite fields)

How light can MV,A be ?

For light masses the NDA cut­off drops to                                        (light masses  small couplings)

However, the theory could have a higher cut­off if the GR satisfy appropriate sum­rules

NDA MR (vGR)     

Which is the cut­off of chiral Lagrangian with the heavy vectors ?

Main properties of the vector fields:

Producing the heavy vectors at the LHC

1) Leading decay mode: 2 longitudinal SM gauge bosons

(V0 W+W­)  GV

2 MV3

48v4 

  5 GeV  [ MV = 0.5 TeV ]

40 GeV  [ MV = 1.0 TeV ]

V+ W+Z)    (V0 W+W­) Quite narrow widhts !ZZ channel forbidden

2) Coupling to SM fermions highly suppressed,                                                               but not negligible for light masses:

B(V0  qq)  3 BV0 l+l) 6 FV

2 mW4

GV2 MV

4

1.6%  [ MV = 0.5 TeV,  FV = 2GV ]

0.1%  [ MV = 1.0 TeV,  FV = 2GV ]_

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Belyaev et al. '07

Model­independentlink with the unitarity 

problem

The most general signature of Higgless models is the appearence of the vector state in WW scattering  [  pp   V + jj  (WW fusion)   WW(WZ) + jj  ]

V

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

However, this is certainly a difficult analysis, which requires high statistics.

A potentially more clean signal ­if the resonances are not too heavy­ is the Drell­Yan production of the resonances and subsequent decay into l+l, 2 and 3 SM heavy gauge bosons:

Link to the contributionof the heavy vectors to EPWO

V, A l+

V

A

V

A V

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

This  signature  is  also particularly  simple  to  estimate  (and  simulate) normalizing the non­standard rate to SM Drell­Yan processes at the partonic level:

V, AElectroweak 

final state

( SM )

E.g.: for charged final states we can define the form factor:

Given the narrow widths, for low masses the signals are quite large.

E.g.:

However....

The leading decay modes (2W, 3W) have low efficiencies

The l+l case is suppressed by the small B(R  l+l) 

Cata, GI, Kamenik, '09

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

The l +l ­ final state & present constraints from Tevatron

Here the state of the art is the analysis of the e+e­ final state in pp collisionpublished by CDF [ PRL 102 (2009) 031801 ]:

_

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Using the CDF data as normalization for the SM events, we have produced an exlusion plot in the    FV­MV plane (which takes into account all the relevant exp. efficiencies!)

Two main assumptions:GV fixed by unitarityMA >> MV 

Cata, GI, Kamenik, '09

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Two main assumptions:GV fixed by unitarityMA >> MV 

Bounds from the trilineargauge­boson couplings 

S= contrib.to S by V only

Cata, GI, Kamenik, '09

Using the CDF data as normalization for the SM events, we have produced an exlusion plot in the    FV­MV plane (which takes into account all the relevant exp. efficiencies!)

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

The “2  excess” can be fitted nicely by a light vector resonance: 

MV   246 GeV

FV   50 GeV

Predictions derived within the effective theory:

similar peak also in the  final stateaxial state with MA ~ 1.3 GeV to obtain a good EWPO fit (T parameter)

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

If, on the other hand, the excess at higher mass will become significant, we can hope to see a clear signal at the LHC (even with 1­2 fb­1):

MV =700 GeVFV = 2GV

MA =800 GeVFA = FV

These are not huge peaks, as with a sequential Z', but they should be clearly visible.

SM normalizationfrom  MADGRAPH

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

E.g.: The WZ final state

FV = 2GV FA = FV GV fixed by unit.

For vector masses above ~ 800 GeV the signal/background ratio is too small in the l+l­ case; however, a signal could still be seen up to ~ 1500 GeV (with high statistics) in the leading decay modes with 2 or 3 SM gauge bosons                [WZ, WW] + [WWW, WWZ, WZZ].

N.B.: here the SM bkg. is only the irreducible e.w. bkg. (WZ within the SM)

Leptonic efficiency:BZ

lept  BWlept = 1.5 %

Conclusions

Heavy vector fields could replace the Higgs boson in maintaining perturbative unitarity up to LHC energies. Introducing the heavy vectors in the e.w. chiral Lagrangian is an efficient and general tool to address their role in EWPO and to investigate their signatures at the LHC.

Heavy vectors alone could satisfy EWPO, if there is at least one light vector state (mass < 1 TeV),  and the trilinear couplings of the heavy fields are not those of massive gauge bosons.

The most general signature of the heavy vectors is the appearance of the lightest vector state in WW scattering (model­independent link with the unitarity problem).

The Drell­Yan production of the new states is subject to larger uncertainties. However, for light MV(A) we could expect visible signals (even with low statistics), and the information could help to clarify the role of the heavy vectors in EWPO.

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Extra Slides

On general dimensional grounds we expect  GV , FV , FA = O(v)

In QCD this expectation is respected [ FV v  1.6,   GV v  0.60.8,   FA v  1.01.6] and we have a clear evidence that the coefficient of the quadratic divergence in T is non vanishing : 

(a1   )  0    FA  0

d(  l )        a                         FA  0  or  (FV2GV)  0 

QCD­like theories

pure  pole term

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

On general dimensional grounds we expect  GV , FV , FA = O(v)

In QCD this expectation is respected [ FV v  1.6,   GV v  0.60.8,   FA v  1.01.6] and we have a clear evidence that the coefficient of the quadratic divergence in T is non vanishing

QCD­like theories

The divergence is cut off by diagrams with more than one heavy field, which lead to a smooth q2 behavior of   A  v(q2)     and   V  a(q2)      amplitudes

AFAWL 

BT BT 

V, V', ....+

BTWL

  WL

 

A WL 

sizable contribution to T if the smooth q2 behavior is reached only afterincluding heavy states near or above the 3 TeV cut­off

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Explicit gauge models

SU(2)L SU(2)1 SU(2)N SU(2)R  

 

The structure of gauge models, with “soft” (linear­sigma­model type) breakingis much more constrained: the couplings of the heavy fields to the SM fields are controlled only by the SB Lagrangian. 

ℒ =  ℒgauge +  ℒSB

Trilinear couplings completely specified

No mixing between SM and other gauge bosons

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Explicit gauge models

SU(2)L SU(2)1 SU(2)N SU(2)R  

 

ℒSB =  {IJ}Tr(DIJDIJ)

The structure of gauge models, with “soft” (linear­sigma­model type) breakingis much more constrained: the couplings of the heavy fields to the SM fields are controlled only by the SB Lagrangian. 

L1NR

ℒ =  ℒgauge +  ℒSB

After field redefinitions the SB Lagrangian assumes the form: 

ℒSB =

FV  2GV  “FA = 0”

 ~ v + [, ] + ...     u ~   + a + [, v] + ...

no Av trilinear coupl. after eliminating the A mixing

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Explicit gauge models

SU(2)L SU(2)1 SU(2)N SU(2)R  

 

ℒSB =  {IJ}Tr(DIJDIJ)

The structure of gauge models, with “soft” (linear­sigma­model type) breakingis much more constrained: the couplings of the heavy fields to the SM fields are controlled only by the SB Lagrangian. 

L1NR

ℒ =  ℒgauge +  ℒSB

In such scenario we never generate a large contribution to T                       [vanishing coeff. for the quadratic divergence]. 

However, such scheme is not the most general possibility and indeed it does not provide a good description of QCD.

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Sum rules

 G. Isidori –  Heavy Vectors in Higgsless models

Imposing a good UV behavior on all the relevant 2­ and 3­point functions involving SU(2)L SU(2)R  external fields (or SM transverse gauge fields) leads to a 

series of constraints (sum rules) on the parameters of the model

L R L+R L, R

Tightly constrained system if we try to satisfy all the sum rules with a single “light” (A,V) pair  too large S, too small .

If the sum rules are not saturated by  single “light” (A,V) pair, we can satisfy them with arbitrary GV, FV,A = O(v) for the light pair and heavy states of mass O(3 TeV)