[論文レビュー] Electroweak symmetry breaking through bosonic seesaw mechanism in a classically conformal extension of the Standard Model

Naoyuki Haba, Hiroyuki Ishida+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、2つのヒッグスダブルレットを伴う、標準模型の古典的共形的 $U(1)_{B-L}$ 拡張を提案する。電弱対称性の破れは、すべてのヒッグス質量項が正であるにもかかわらず、ボソン的シー・スイッチメカニズムによって達成される。このメカニズムは、正規化群の進化によって自然に電弱スケールを抑制し、初期に大きな階層を示す四次結合定数を、$U(1)_{B-L}$ 対称性の破れスケールで穏やかなものに還元する。$Z'$および重いヒッグスボソンは2 TeV未塔であり、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で検証可能である。

ABSTRACT

We suggest the so-called bosonic seesaw mechanism in the context of a classically conformal $U(1)_{B-L}$ extension of the Standard Model with two Higgs doublet fields. The $U(1)_{B-L}$ symmetry is radiatively broken via the Coleman-Weinberg mechanism, which also generates the mass terms for the two Higgs doublets through quartic Higgs couplings. Their masses are all positive but, nevertheless, the electroweak symmetry breaking is realized by the bosonic seesaw mechanism. We analyze the renormalization group evolutions for all model couplings, and find that a large hierarchy among the quartic Higgs couplings, which is crucial for the bosonic seesaw mechanism to work, is dramatically reduced toward high energies. Therefore, the bosonic seesaw is naturally realized with only a mild hierarchy, if some fundamental theory, which provides the origin of the classically conformal invariance, completes our model at some high energy, for example, the Planck scale. The requirements for the perturbativity of the running couplings and the electroweak vacuum stability in the renormalization group analysis as well as for the naturalness of the electroweak scale, we have identified the regions of model parameters. For example, the scale of the $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry breaking is constrained to be $\lesssim 100$ TeV, which corresponds to the extra heavy Higgs boson masses to be $\lesssim 2$ TeV. Such heavy Higgs bosons can be tested at the Large Hadron Collider in the near future.

研究の動機と目的

• 超対称性を用いずに、古典的共形対称性を活用することでゲージ階層問題に対処すること。
• 2つのヒッグスダブルレットを伴う $U(1)_{B-L}$ 拡張モデルにおいて、ボソン的シー・スイッチメカニズムを用いて電弱対称性の破れを実現すること。
• シー・スイッチメカニズムに不可欠な四次結合定数の大きな階層が、正規化群の進化によって動的に縮小され得ることを示すこと。
• プランクスケールまでに摂動的安定性、真空安定性、自然性の制約を満たすパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性と2つのヒッグスダブルレットを導入し、B-L ヒッグスシングレット ($\Phi$) を導入。このシングレットがコロン・ワインバーグ機構による放射対称性の破れを引き起こす。
• 正の四次結合定数を配置することでボソン的シー・スイッチメカニズムを実装し、混合の結果として物理的ヒッグス質量の二乗が負になるようにすることで、電弱対称性の破れを実現する。
• すべてのゲージ、ヤコビ、スカラー結合定数、$g_{B-L}$、$\lambda_{1,2,3,4}$、$\lambda_{H1\Phi}$、$\lambda_{H2\Phi}$、$y_t$ の1ループ正規化群方程式（RGE）を計算し、エネルギースケールに沿った結合定数の進化を追跡する。
• プランクスケールを紫外境界条件として用い、結合定数を $U(1)_{B-L}$ 対称性の破れスケールまで進化させ、$λ$ 結合定数の初期に大きな階層が存在しても自然に縮小されることを示す。
• 摂動的安定性、真空安定性、電弱スケールの自然性の制約を適用し、妥当なパラメータ空間を同定する。
• $v_\Phi$ において混合項 $g_{\rm mix}$ をゼロに設定することで、$Z$–$Z'$ 混合を回避し、明確な $Z'$ 物理的性質を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的共形的 $U(1)_{B-L}$ 拡張モデルにおいて、負の質量項が存在しない状況で電弱対称性の破れを実現できるか？
• RQ2 すべての裸質量項が正であるにもかかわらず、ボソン的シー・スイッチメカニズムがどのように物理的ヒッグス質量の二乗を負にするのか？
• RQ3 正規化群の進化が、シー・スイッチメカニズムに必要な四次ヒッグス結合定数の階層をどの程度縮小するのか？
• RQ4 摂動的安定性、真空安定性、自然性の制約から、$U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性の破れスケールにどのような制限が課されるか？
• RQ5 このモデルは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の検出範囲内に重いヒッグスボソンを予測できるか？

主な発見

• ボソン的シー・スイッチメカニズムは、すべての質量項が正であっても、標準模型に類似したヒッグスの有効的な負の質量二乗を生成し、電弱対称性の破れを成功裏に誘発する。
• シー・スイッチメカニズムに必要な四次結合定数の大きな階層は、正規化群の進化によって著しく縮小され、モデルがプランクスケールで紫外完備されているならば自然なものとなる。
• $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性の破れスケールは $\lesssim 100$ TeV に制限され、$Z'$ および重いヒッグスボソンの質量が $\lesssim 2$ TeV であると示唆される。
• 広いパラメータ範囲において、プランクスケールまでに摂動的安定性と電弱真空の安定性が維持される。
• 自然性条件が満たされ、階層問題は微調整ではなく、共形対称性とRGEのダイナミクスによって解決される。
• 予測される重いヒッグスボソンは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の発見範囲内にあり、モデルの実験的検証に向けた明確なシグネチャを提供する。