Lattice field theoretic study of strongly interacting extensions of the Standard Model  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
104034
Type NF
Principal investigator Nógrádi, Dániel
Title in Hungarian A Standard Model erősen kölcsönható kiterjesztésének rácstérelméleti vizsgálata
Title in English Lattice field theoretic study of strongly interacting extensions of the Standard Model
Keywords in Hungarian részecskefizika, standard model kiterjesztése, rácstérelmélet, Higgs, Monte Carlo szimuláció
Keywords in English particle physics, beyond standard model, lattice field theory, Higgs, Monte Carlo simulation
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Quantum field theory
Panel Physics
Department or equivalent Department of Theoretical Physics (Eötvös Loránd University)
Participants Katz, Sándor
Kökényesi, Zoltán
Mondal, Santanu
Pittler, Ferenc
Saradi, András
Szép, Zsolt
Szikszai, Lőrinc
Trombitás, Norbert
Starting date 2013-02-01
Closing date 2018-01-31
Funding (in million HUF) 79.158
FTE (full time equivalent) 18.49
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A CERN-beli LHC-nél jelenleg futó nagy energiás kisérletek fő fókusza az elekto-gyenge szimmetriasértés mibenlétének tisztázása. Ez vagy kompatibilisnek fog mutatkozni a Standard Modellel (SM) beleértve egy elemi skalár részecskét (Higgs) vagy utat mutathat szükséges kiterjesztések felé. Ha a kisérleti adatok az SM kiterjesztését teszik szükségessé, ezek két alapvető családba tartozhatnak: vagy találnak egy rezonanciát, de az összetett részecskére utal vagy az SM által megengedett tömeg intervallumban nem találnak semmilyen rezonanciát. Mindkét esetben vonzó megoldásokat kinál az SM technicolor inspirálta erősen kölcsönható kiterjesztése.

Az elektro-gyenge szimmetriasértés ezekben a modellekben hipotetikus új részecskék, techni gluonok és techni kvarkok erősen kölcsönható mértékelméletén keresztül valósul meg. A legegyszerűbb analógia a QCD, melyben a spontán királis szimmetriasértés lenne az elektro-gyenge szektorbeli spontán szimmetriasértés analógiája. A pontos elektro-gyenge mérések komoly korlátokat szabnak a szóbajöhető modellekre, amik közül a dinamikailag legfontosabb a sétálás jelensége: a csatolási állandó relative nagy egy széles energia skálán és keveset változik.

A szóba jöhető nem-abeli mértékelméletek erősen csatoltak. Ezért úgynevezett "first principle" eredményeket csak nem-perturbativ módszerekkel lehet kapni, melyek közül a QCD tanulmányozása során a rács térelmélet bizonyult a legcélravezetőbbnek.

Ezért a jelen pályázat célja, hogy a rács térelmélet legmodernebb módszereivel meghatározza, hogy mely modellek jöhetnek realisztikusan szóba az SM erősen kölcsönható kiterjesztéséhez és ezeket részleteiben tanulmányozza.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A problémák

Milyen erősen kölcsönható modellekkel lehet a Standard Modelt kiterjeszteni oly módon, hogy a pontos elektro-gyenge mérésekkel ne álljon fenn ellentmondás? Mi az ilyen modellek alapvető tulajdonságai mint pl. kötött állapot spektrum, futó csatolás, anomális dimenziók, elektro-gyenge preciziós paraméterek, W bozon szóráshoz tartozó járulékuk? Mely rácstérelméleti módszerek a legalkalmasabbak ezek tanulmányozására? Hogyan kontrollálhatók a szisztematikus effektusok a rácstérelméleti vizsgálatokban?

Kiindulási hipotézis

A részecskefizika Standard Modeljét ki kell terjeszteni egy mostanáig fel nem fedezett erősen kölcsönható szektorral.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A mai legjobb tudásunk szerint a látható univerzumot (a gravitációs kölcsönhatástól eltekintve) a Standard Model irja le a legpontosabban, ami egy kvantum térelmélet. Ennek a kvantum térelméletnek az elemi részecskéit és kölcsönhatásait nagy
pontossággal igazolták a nagyenergiás kisérletek az elmúlt 30 évben, kivéve az elemi skalár részecskét, a Higgs bozont. Ezen hipotetikus részecske különösen nagy relevanciája abban rejlik, hogy a Standard Model szerint a Higgs bozonnak a többi részecskével való kölcsönhatása a felelős azért, hogy a látható univerzum összes tömeges részecskéjének valóban van tömege. Ezért a Higgs bozon léte és tulajdonságai vagy esetleg nem léte alapvetően befolyásolja jelen elképzeléseinket a látható univerzum tömegének eredetéről.

A legnagyobb tudományos kisérlet a CERN-ben futó Large Hadron Collider (LHC) egyik célja pontosan a Standard Model ezen hiányzó elemének a tisztázása. Legfontosabb feladata, hogy kimutassa a Higgs bozon létét és Standard Modelbe való illeszthetőségét vagy kizárja ennek lehetőségét.

A jelen pályázat azt a lehetőséget célozza meg, hogy az LHC egy olyan részecskét talál, amit nem lehet a Standard Modelbeli elemi Higgs bozonként interpretálni, hanem csak mint összetett részecskét vagy a lefedett energiatartományban nem talál egyáltalán semmilyen rezonanciát. Ebben az esetben a Standard Modelt ki kell terjeszteni és egy különösen vonzó lehetőség az erősen kölcsönható mértékelméletek családja. Ezek a modellek új, eddig fel nem fedezett részecskéket posztulálnak. Ezen erősen kölcsönható mértékelméleteknek a tanulmányozása nem-perturbativ szinten a legmegbizhatóbban rácstérelméleti módszerekkel végezhető el. Ezért a javasolt kutatási program hozzá fog járulni a látható univerzum tömegének eredetét érintő kérdések tisztázásához, amennyiben az LHC úgy találja, hogy a kisérleti adatok és a Standard Model jelenlegi formája között ellentmondások merülnek fel.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A részecskefizika Standard Modelje (SM) egyedülálló abban az értelemben, hogy ez a terület kinálja a legpontosabb elméleti előrejelzéseket és a legpontosabb kisérleti méréseket. Az SM irja le a látható univerzum (gravitációt kivéve) legalapvetőbb
épitőköveit és azok kölcsönhatásait. Az SM-nek azonban van egy jóslata, amit egyenlőre nem sikerült kisérletileg igazolni: az elemi Higgs bozon létezését. Az SM-ben a Higgs bozon relevanciáját az adja, hogy ez felelős a látható univerzum tömegének eredetéért: az összes ismert tömeges részecske tömegét a vele való kölcsönhatás generálja. A CERN-beli Large Hadron Collider (LHC) kisérlet célja ezért az, hogy tisztázza a Higgs bozon mibenlétét. Erre három lehetőség van (1) a kisérleti adatok összhangban vannak az SM-beli elemi Higgs bozonnal (2) a kisérleti adatok egy összetett részecskével vannak csak összhangban, azaz egy olyannal, ami még elemibb részekre bontható vagy (3) a kisérleti adatok nem kivánják meg új részecske posztulálását.

A jelen pályázat célja az utóbbi két lehetőség vizsgálata. Ezekben az esetekben az SM-et ki kell terjeszteni. Egy vonzó kiterjesztési lehetőség új, erősen kölcsönható hipotetikus részecskék bevezetése. A jelen pályázat célja ezen új elméletek tanulmányozása a legmodernebb számitógépes szimulációk segitségével és annak megállapitsa, hogy valóban beilleszthetők-e az SM-be és ha igen, akkor milyen tulajdonságaik vannak a hipotetikus új részecskéknek és hogyan hatnak kölcsön egymás közt illetve a már ismert részecskékkel.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main focus of the LHC in CERN is the determination of the nature of electro-weak symmetry breaking. This may turn out to be compatible with the current form of the Standard Model (SM) including an elementary scalar (Higgs) or it may require
extensions. If the data favors extensions of the SM these might come in two flavors: a resonance is found which can be interpreted as the Higgs boson but its properties hint at it being composite or no resonance is found at all in the mass range allowed by the SM. In both cases strongly interacting extensions of the SM are attractive possibilities.

A large class of such extensions fall into the technicolor paradigm. The electro-weak symmetry breaking is implemented by a strongly interacting gauge theory involving hypothetical new particles, techni gluons and techni quarks. The most elementary analogy is QCD where spontaneous chiral symmetry breaking is the analog of symmetry breaking in the electro-weak sector. Precision measurements place strong constraints on the details of the allowed models one of which is the phenomenon of walking, meaning that the gauge coupling remains relatively large and changes slowly over a considerable energy range.

The fact that non-abelian gauge theories are expected to be strongly coupled for the cases of interest non-perturbative methods are essential. The most successful non-perturbative method for the study of QCD has been lattice gauge theory.

The primary goal of the proposed research program is to use state-of-the-art methods of lattice gauge theory to identify and study models which can then be used to build realistic strongly interacting extensions of the SM.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The problems

What strongly interacting models have a chance to extend the Standard Model in such a way that precision measurements are not violated? What are their basic non-perturbative properties like bound state spectrum, running coupling, anomalous dimensions, electro-weak precision parameters, contribution to W boson scattering, etc? What lattice gauge theory methods are the most suitable for studying these models? How to control systematic effects in lattice gauge theory investigations of these models?

Working hypothesis

The Standard Model of particle physics needs to be extended by a yet undiscovered strongly interacting sector.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our current best understanding of the visible Universe is based on a quantum field theory called the Standard Model (leaving the gravitational force aside). The particle content of the model and their interactions have been confirmed in numerous
high energy experiments in the past 30 years except for an elementary scalar particle, the Higgs boson. The relevance of the Higgs boson is that its interactions with the other sectors of the model provide masses to all massive particles of the visible Universe. Hence the status of the Higgs boson in the Standard Model, whether it exists as an elementary particle or a composite or whether it does not exist at all, will shape our understanding of the origin of mass in the visible Universe.

The largest scientific experiment, the Large Hadron Collider (LHC) currently underway in CERN, addresses this missing piece of the Standard Model. Finding evidence for or ruling out the Higgs boson as an elementary scalar particle is its number one focus.

The current proposal builds on the possibilities that either a resonance is found which can not be interpreted as a Standard Model Higgs boson only as a composite particle or no resonance is found in the mass range covered by the LHC. In this case
extensions of the Standard Model will be required and an attractive class is by strongly interacting gauge theories involving hypothetical new particles. The proposed non-perturbative lattice field theoretical investigation of these strongly interacting gauge theories promises to be the most reliable non-perturbative method. Thus the proposed research program will contribute to our understanding of the origin of mass in the visible Universe, should the LHC indicate that experimental data and the current form of the Standard Model is in tension.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The Standard Model (SM) of particle physics is unique in that this field presents us with both the most precise predictions and most precise measurements. The SM describes the elementary building blocks of the visible Universe (except gravity) and their interactions. The only aspect of it which has not been confirmed by experiment relates to an elementary particle called the Higgs boson. According to the SM the Higgs boson and its interaction with other particles are responsible for the masses of all massive particles. This fundamental role, the generation of mass of the visible Universe, lends special relevance to the Higgs particle. Currently the Large Hadron Collider (LHC) experiment is running at CERN and the primary focus is clarifying the nature of the Higgs particle. There are three possibilities: (1) the experimental data favors a particle which can be interpreted as an elementary Higgs boson in accordance with the SM (2) something else is found which can only be interpreted as a composite particle consisting of more elementary building blocks or (3) no new particle is found in the energy range covered.

The proposed research program targets the last two possibilities. If the experimental data favors a composite particle or is consistent with no new particles the SM needs to be extended. An attractive class of extensions is by hypothetical new strongly interacting particles. The proposed research will use state-of-the-art computer simulations to study these models in order to determine whether they indeed fit into the rest of the SM and if so what are the properties and interactions of the hypothetical new particles that were added.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Az 5 éves kutatási periódusban a részecskefizikai Standard Model olyan kiterjesztéseivel foglalkoztunk, melyekben a Higgs bozon nem elemi részecske, hanem összetett. Ezek a modellek azért vonzóak, mert megoldják a Standard Model egyik alapvető problémáját: a természetességi vagy finomhangolási problémát. A gond ott van, hogy egy elemi Higgs bozon esetén ennek tömege egy szabad paraméter, mely nagyságrendileg 10^2 GeV, de ez úgy alakul ki, hogy két nagyságrendileg 10^19 GeV nagyságú szám különbsége. Ilyenfokú finomhangolást a természetben máshol nem tapasztaltunk még, ezért természetes, hogy valamilyen dinamikai mechanizmust tételezzünk fel mögötte. Egy ilyen lehetőség az összetett Higgs bozont tartalmazó elméletek. Ez ilyen elméletek viszont erősen csatoltak, perturbatív számolásokhoz szükséges kis paraméter nélkül. Így az egyetlen szisztematikus vizsgálati módszer a téridő rácsdiszkretizációján alapuló numerikus szimuláció. A kutatási projekt ilyen erősen kölcsönható kvantumtérelméletek numerikus szimulációja volt. A kvantitatív elméleti eredményeket ezután össze lehet majd hasonlítani a kísérleti eredményekkel (Large Hadron Collider, Run-2) azt eldöntendő, hogy a természetnek helyes leírását adják-e vagy sem.
Results in English
The 5 year research project dealt with strongly interacting extensions of the Standard Model of particle physics. The investigated models are proposed new theories describing a composite Higgs boson as opposed to the elementary Higgs boson of the Standard Model. The motivation for such theories is the Naturalness or fine tuning problem of the Standard Model: the mass of the elementary Higgs boson, on the order of 10^2 GeV is a result of a cancellation between two terms which are both on the order of 10^19 GeV. This degree of fine tuning has not been seen anywhere else in Nature and call for a dynamical mechanism. One possibility is composite Higgs models of the type studied in this research project. These models are all strongly coupled and hence there is no small parameter available for a perturbative expansion. The only systematic approximation free approach is then a fully non-perturbative simulation based on the discretization of space time. The goal of the research project was large scale Monte-Carlo simulations of such theories with the goal of obtaining quantitative results which then can be compared with experimental results (Large Hadron Collider, Run-2) in order to decide whether they are viable description of Nature or not.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104034
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The chiral condensate from the Dirac spectrum in BSM gauge theories, http://arxiv.org/abs/arXiv:1402.6029, 2014
Szabolcs Borsanyi, Stephan Durr, Zoltan Fodor, Christian Hoelbling, Sandor D. Katz, Stefan Krieg, Simon Mages, Daniel Nogradi, Attila Pasztor, Andreas Schafer, Kalman K. Szabo, Balint C. Toth, Norbert Trombitas: Charmonium spectral functions from 2+1 flavour lattice QCD, http://arxiv.org/pdf/arXiv:1401.5940, 2014
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Can a light Higgs impostor hide in composite gauge models?, PoS(LATTICE 2013)062, 2014
David H. Adams, Daniel Nogradi, Andrii Petrashyk, Christian Zielinski: Computational efficiency of staggered Wilson fermions: A first look, PoS(LATTICE 2013)353, 2013
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The chiral condensate from the Dirac spectrum in BSM gauge theories, PoS (LATTICE2013) 089, 2013
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Toward the minimal realization of a light composite Higgs, PoS (LATTICE 2014) 244, 2014
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Baryon spectrum in the composite sextet model, PoS (LATTICE 2014) 328, 2014
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The lattice gradient flow at tree level, PoS (LATTICE 2014) 328, 2014
Szabolcs Borsanyi, Stephan Dürr, Zoltán Fodor, Christian Hoelbling, Sándor D. Katz, Stefan Krieg, Simon Mages, Dániel Nógrádi, Attila Pásztor, Andreas Schäfer, Kálmán K. Szabó, Bálint C. Tóth, Norbert Trombitás: Spectral functions of charmonium with 2+1 flavours of dynamical quarks, PoS (LATTICE2014) 218, 2014
Szabolcs Borsányi, Stephan Dürr, Zoltán Fodor, Christian Hoelbling, Sándor D. Katz, Stefan Krieg, Dániel Nógrádi, Kálmán K. Szabó, Bálint C. Tóth, Norbert Trombitás: More Results on Finite Temperature QCD with Wilson Fermions, NIC Symposium Series, Vol 47, p. 185-193, 2014
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The lattice gradient flow at tree-level and its improvement, JHEP 1409 (2014) 018, 2014
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Electroweak interactions and dark baryons in the sextet BSM model with a composite Higgs particle, http://arxiv.org/pdf/1601.03302, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Running coupling of the sextet composite Higgs model, http://arxiv.org/pdf/1511.04890, 2015
Sz. Borsanyi, Z. Fodor S. D. Katz S. Krieg, T. Lippert, D. Nogradi, F. Pittler, K.K. Szabo, B.C. Toth: QCD thermodynamics with continuum extrapolated dynamical overlap fermions, http://arxiv.org/pdf/1510.03376, 2015
S. Borsanyi, M. Dierigl, Z. Fodor, S.D. Katz, S.W. Mages, D. Nogradi, J. Redondo, A. Ringwald, K.K. Szabo: Axion cosmology, lattice QCD and the dilute instanton gas, Phys.Lett. B752 2016 175-181, 2015
Derek Harland, Daniel Nogradi: On the charge density and asymptotic tail of a monopole, http://arxiv.org/pdf/1508.03232, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The running coupling of the minimal sextet composite Higgs model, JHEP 1509 2015 039, 2015
Szabolcs Borsanyi, Stephan Durr, Zoltan Fodor, Christian Holbling, Sandor D. Katz, Stefan Krieg, Daniel Nogradi, Kalman K. Szabo, Balint C. Toth, Norbert Trombitas: QCD thermodynamics with continuum extrapolated Wilson fermions II, Phys.Rev. D92 2015 1 014505, 2015
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The running coupling of 8 flavors and 3 colors, JHEP 1506 2015 019, 2015
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Toward the minimal realization of a light composite Higgs, PoS LATTICE2014 2015 244, 2015
Sandor Katz, Ferenc Niedermayer, Daniel Nogradi, Csaba Torok: Comparison of algorithms for solving the sign problem in the O(3) model in 1+1 dimensions at finite chemical potential, http://arxiv.org/pdf/1611.03987, 2017
Daniel Nogradi, Agostino Patella: Strong dynamics, composite Higgs and the conformal window, http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217751X1643003X, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Fate of the conformal fixed point with twelve massless fermions and SU(3) gauge group, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.94.091501, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Status of a minimal composite Higgs theory, http://arxiv.org/abs/arXiv:1605.08750, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: New approach to the Dirac spectral density in lattice gauge theory applications, http://arxiv.org/abs/1605.08091, 2016
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Santanu Mondal, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Status of a minimal composite Higgs theory, Int.J.Mod.Phys. A32 2017 35 1747001, 2017
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Extended investigation of the twelve-flavor $\beta$-function, Phys.Lett. B779 2018 230-236, 2018
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: The twelve-flavor $\boldsymbol{\beta}$-function and dilaton tests of the sextet scalar, accepted to European Physical Journal, 2017
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Spectroscopy of the BSM sextet model, accepted to European Physical Journal, 2017
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: A new method for the beta function in the chiral symmetry broken phase, accepted to European Physical Journal, 2017
Zoltan Fodor, Kieran Holland, Julius Kuti, Daniel Nogradi, Chik Him Wong: Weakly coupled conformal gauge theories on the lattice, accepted to European Physical Journal, 2017
Szabolcs Borsanyi, Zoltan Fodor, Sandor D. Katz, Simon Mages, Daniel Nogradi, Kalman K. Szabo: Pure SU(3) Topological Susceptibility at Finite Temperature with the Wilson Flow, PoS LATTICE2015 2016 164, 2016




 

Events of the project

  
2017-06-29 10:55:41
Résztvevők változása
2014-05-20 11:16:38
Résztvevők változása
2014-03-12 10:05:23
Résztvevők változása
2014-02-26 14:53:00
Résztvevők változása
2013-09-16 19:36:51
Résztvevők változása



Back »