Composite Higgs, Top Partners and the LHC

The models with a Higgs boson realized as a bound state of new strongly coupled dynamics and fea- turing the Goldstone symmetry protection mechanism, ensuring its lightness, represent a motivated scenario of New Physics at the TeV scale. We summarize the main ideas behind the formulation of these Composite Higgs (CH) models, focusing on the scenarios invoking the paradigm of Partial Compositeness, the mechanism of Standard Model fermion mass generation by mixing with compos- ite resonances. After reviewing the theoretical tools for the description of the CH setup, we derive structural phenomenological features, and in particular a general relation, valid for a broad class of models, between the Higgs mass and masses of the top partners, i.e. the composite resonances responsible for giving a mass to the top quark through Partial Compositeness. This relation implies that, for a “natural” theory, the top partners are restricted to have a mass below around 1.5 TeV, significantly below the other resonances, and they play a primary role for phenomenology. First of all, their direct observation at the Large Hadron Collider (LHC) seems unavoidable if the considered scenarios are indeed realized in Nature without accidental per-cent tuning. We develop a general minimally model-dependent framework, accounting for the Goldstone nature of the Higgs, in order to identify the best strategies for top partners searches at the LHC. Using current data we exclude a considerable part of the natural parameter space of the CH models. We present an estimate of the future LHC reach for two interesting channels. The light top partners could also manifest themselves in indirect way, contributing to the low-energy observables of the ElectroWeak Precision Tests. Our analysis shows that in this case top partners play an important role for compatibility of CH scenarios with experimental data, in particular we identify a new, potentially large, logarithmically divergent contribution to the S parameter. At the same time we show that the effects dependent on the details of the UV dynamics are important and can give contributions comparable with IR effects, and thus must be taken into account, as for instance the four-fermion operators contributing to Zbb coupling.

I modelli con un Higgs Composto, realizzato come un bosone di Goldstone e dunque naturalmente leggero, costituiscono uno scenario ben motivato di nuova fisica alla scala del TeV. Discuteremo la formulazione di tali modelli, seguendo il paradigma della ”Partial Compositeness” per la generazione delle masse dei fermioni del Modello Standard tramite il mescolamento con delle risonanze del nuovo settore forte. Dopo aver introdotto gli strumenti tecnici necessari, deriveremo alcune caratteristiche fenomenologiche strutturali, ed in particolare una relazione generale, valida in un’ampia classe di modelli, che lega la massa del bosone di Higgs a quella dei ”Top Partners”, ovvero le risonanze fermioniche responsabili per la generazione della massa del quark top attraverso il meccanismo di Partial Compositeness sopra descritto. Questa relazione implica che in una teoria ”Naturale” i Top Partners sono necessariamente leggeri, con massa al di sotto di circa 1.5 TeV, significativamente pi leggeri delle altre risonanze. Dunque, essi giocano un ruolo fondamentale nella fenomenologia di questi modelli. Prima di tutto, questi stati sono potenzialmente osservabili con relativa facilit al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Svilupperemo uno descrizione semplificata dei Top Partners, adatta per studiarne la fenomenologia al collider, che tuttavia mantenga le caratteristiche teoriche pi importanti dei modelli espliciti, in particolare il fatto che l’Higgs sia un bosone di Gold- stone. Confronteremo il modello semplificato con i dati attuali, identificando le regioni escluse del suo spazio dei parametri, e discuteremo le prospettive del futuro run dell’LHC per lo studio di questo tipo di segnali. I Top Partners hanno anche effetti indiretti, contribuendo alle osservabili di bassa energia che sono alla base dei Test di Precisione del Modello Standard. Analizzeremo questi effetti in dettaglio, identificando nuovi contributi, potenzialmente rilevanti, al parametro S. Discuteremo anche altri possibili contributi alle osservabili di precisione, non legati ai Top Partner leggeri ma ai dettagli della fisica microscopica del modello completo da cui i Top Partners emergono. In al- cuni casi, per esempio per quanto riguarda il coupling della Z al quark bottom, questi contributi sono comparabili o dominanti rispetto a quelli dovuti ai Top Partners e devono essere tenuti in considerazione.