[論文レビュー] Electroweak vacuum stability in classically conformal B-L extension of the Standard Model

Arindam Das, Nobuchika Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、コロンネル＝ワインバーグ機構によって質量スケールが生じる、標準模型の古典的 conformal な U(1)B-L 拡張における電弱真空安定性を調査している。2ループレベルで、LHCにおけるZ′ボソンの制約を満たし、自然性の境界によって微調整を回避するパラメータ領域を同定した。

ABSTRACT

We consider the minimal U(1)$_{B-L}$ extension of the Standard Model (SM) with the classically conformal invariance, where an anomaly free U(1)$_{B-L}$ gauge symmetry is introduced along with three generations of right-handed neutrinos and a U(1)$_{B-L}$ Higgs field. Because of the classically conformal symmetry, all dimensional parameters are forbidden. The $B-L$ gauge symmetry is radiatively broken through the Coleman-Weinberg mechanism, generating the mass for the $U(1)_{B-L}$ gauge boson ($Z^\prime$ boson) and the right-handed neutrinos. Through a small negative coupling between the SM Higgs doublet and the $B-L$ Higgs field, the negative mass term for the SM Higgs doublet is generated and the electroweak symmetry is broken. In this model context, we investigate the electroweak vacuum instability problem in the SM. It is known that in the classically conformal U(1)$_{B-L}$ extension of the SM, the electroweak vacuum remains unstable in the renormalization group analysis at the one-loop level. In this paper, we extend the analysis to the two-loop level, and perform parameter scans. We identify a parameter region which not only solve the vacuum instability problem, but also satisfy the recent ATLAS and CMS bounds from search for $Z^\prime$ boson resonance at the LHC Run-2. Considering self-energy corrections to the SM Higgs doublet through the right-handed neutrinos and the $Z^\prime$ boson, we derive the naturalness bound on the model parameters to realize the electroweak scale without fine-tunings.

研究の動機と目的

• 古典的 conformal な U(1)B-L 拡張の標準模型における電弱真空不安定性問題に取り組む。
• 以前の1ループの整合性関係解析を2ループレベルに拡張し、真空安定性評価の精度を向上させる。
• 電弱真空を安定化させると同時に、ATLASおよびCMSのLHCラン2におけるZ′ボソン共鳴状態の制約を満たし、微調整を回避するパラメータ領域を同定する。
• 右側ニュートリノとZ′ボソンからの自己エネルギー補正を評価することで、モデルパラメータにおける自然性の境界を導出する。

提案手法

• B-L 拡張モデルにおける4次結合定数とゲージ結合定数の2ループ整合性関係方程式（RGE）を用いる。
• コロンネル＝ワインバーグ機構を導入し、U(1)B-L ゲージ対称性を量子効果によって破壊することで、Z′ボソンと右側ニュートリノの質量を生成する。
• 標準模型のヒッグスダブルレットとB-L ヒッグス場の間の小さな負の結合定数を導入し、標準模型のヒッグスの質量項に負の値を生成することで、電弱対称性の自発的破れを誘発する。
• モデルの結合定数と質量パラメータの広範なパラメータスキャンを実施し、物理的でない領域を除外する。
• LHCにおけるZ′ボソン共鳴状態の制約を適用し、大規模な結合定数や低質量のZ′を有する領域を除外する。
• 右側ニュートリノとZ′ボソンからの量子補正を解析することで、ヒッグス自己エネルギーへの寄与を評価し、自然性の境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ループレベルで解析した場合、古典的 conformal な U(1)B-L 拡張の標準模型において、電弱真空が安定を保てるか？
• RQ2 B-L モデルのどのパラメータ領域が、LHCにおけるZ′ボソン共鳴状態の制約と真空安定性の両方を満たすか？
• RQ3 2ループ補正は、ヒッグス4次結合定数の走破と電弱真空の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 微調整を回避するための自然性の境界は、モデルパラメータにどのような制約を課えるか？
• RQ5 右側ニュートリノとZ′ボソンの導入は、ヒッグス自己エネルギーと真空安定性にどの程度の変化をもたらすか？

主な発見

• 2ループレベルで、電弱真空が安定である可能性のある物理的パラメータ領域が存在し、1ループ解析で見られた不安定性を解消する。
• モデルは、LHCラン2におけるATLASおよびCMSのZ′ボソン共鳴状態の最新の制約を満たしており、結合定数が大きくまたはZ′質量が低い領域は除外されている。
• 2ループ補正の導入により、真空安定性の状況が顕著に変化し、1ループ解析では失敗した領域でも安定化が可能になる。
• 右側ニュートリノとZ′ボソンからのヒッグス自己エネルギー補正に基づく自然性の境界は、これら粒子の質量が約10 TeV未満である必要があることを制限し、微調整を回避する。
• 標準模型のヒッグスの負の質量項は、B-L ヒッグスとの小さな結合定数を通じて生成され、このB-L ヒッグス自体はコロンネル＝ワインバーグ機構によって量子的に生成される。
• モデルは、UVカットオフに対する対数的依存性を示し、古典的 conformal 不変性と整合的であり、ヒッグス質量に二次的発散を生じさせない。