[論文レビュー] Gravi-Natural Higgs and Conformal New Physics

D. Demir|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、電弱スケールに新しい粒子を導入するのではなく、ヒッグス場の共形変換による重力的フレームを用いることで、ヒッグス自然性問題を解決する新規メカニズム「重力的自然化（gravi-naturalization）」を提案する。主な結果は、特定の共形フレーム（「重力的フレーム」）において、ヒッグス場と物質の相互作用が分離され、二次発散が消失することであり、これにより新物理を必要とせずヒッグス質量が自然に安定化される。同時に、共形場理論（CFT）に基づく拡張が可能となり、ダークマター、インフレーション、CP対称性の破れをより少ないパラメータで統一的に記述できる。

ABSTRACT

We study gauge hierarchy problem of the Standard Model (SM) not by introducing new physics at the electroweak scale but by utilizing gravitational frames, frames generated by conformal transformations, as a renormalization medium. The essence of the naturalization mechanism is that a particular conformal transformation with respect to the Higgs field completely decouples Higgs from matter fields so that the terms causing quadratic divergences become genuine benign. In this frame, we analyze stability, unitarity and renormalizability of the interactions, and construct the effective $SM$ theory at the electroweak scale by taking into account the conformal anomalies. We scrutinize certain salient features of the framework, and discuss h -> gamma gamma decay as an application. The proposed mechanism naturalizes not only the SM but also its extensions if they involve no new mass scales and exhibit strict conformal invariance. The new physics thus forms a conformal field theory (CFT), and can involve additional fermion generations, extra gauge groups as well as all kinds of SM singlets. Certain phenomena, for instance, CP-violating Higgs sector, Dark Matter and Inflation, can be modeled with less free parameters. Scalar and vector singlets can directly interact with the SM spectrum, and can be searched for in certain scattering processes such as the invisible decays of the Higgs boson.

研究の動機と目的

• 電弱スケールに新物理を導入せずに、標準模型（SM）におけるゲージ階層問題を解決すること。
• ヒッグス場の共形変換によって生成される重力的フレームが、ヒッグス系における自然な正則化媒体として機能するかを検討すること。
• ヒッグス質量の安定性が共形変換によって誘導されるグローバルスケーリング対称性に起因し、二次発散が回避されることを示すこと。
• 電弱スケールにおける有効標準模型理論を構築し、共形異常を含みつつユニタリティと再正則化可能性を保つこと。
• 新物理が共形場理論（CFT）でなければならないこと、およびそのインフレーション、ダークマター、CP対称性の破れへの影響を明らかにすること。

提案手法

• ヒッグス場の共形変換を用いて新たな重力的フレームを定義し、共形因子をヒッグス場のノルムとして特定する。
• ヒッグス場が物質場と分離される「重力的フレーム」で理論を分析し、二次発散を引き起こす項を排除する。
• 有効場理論的手法を用いて、電弱スケールにおける有効ポテンシャルおよび有効頂点を計算し、物質ループからの量子補正を含む。
• 共形異常をスケーリング対称性のソフトな破れ項として導入し、電弱スケールで新たな相互作用を生成する。
• 重力的フレームにおける有効標準模型作用を構築し、相互作用項の詳細な解析を通じてユニタリティと再正則化可能性を保証する。
• フレームワークを $h \to \gamma\gamma$ 衰えなどの具体的な過程に適用し、正則化プログラムの妥当性を検証し、SMからのずれを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱スケールに新しい粒子や対称性を導入せずに、ヒッグス自然性問題を解決できるか？
• RQ2 ヒッグス場の共形変換が、ヒッグス質量の二次発散が自然に抑制されるフレームに導くか？
• RQ3 共形異常は電弱スケールにおける有効理論にどのように影響を与え、観測可能な補正を生成するか？
• RQ4 重力的自然化メカニズムと整合する新物理の種類は何か？また、それらがダークマター、インフレーション、CP対称性の破れをより少ないパラメータで統一的に記述できるか？
• RQ5 $h \to \gamma\gamma$ 衰え率が、重力的自然化フレームの高精度なプローブとして機能するか？

主な発見

• 重力的フレームでは、特定の共形変換によりヒッグス場が物質場と分離され、二次発散が無害化され、ヒッグス質量が自然に安定化される。
• このメカニズムは、共形変換によって誘導されるグローバルスケーリング対称性に依存し、共形異常がこの対称性をソフトに破ることで電弱スケールの相互作用が生成される。
• 電弱スケールにおける有効標準模型理論は、明確な有効ポテンシャルと頂点を備え、ユニタリティと再正則化可能性を保っている。
• $h \to \gamma\gamma$ 衰えを事例として計算した結果、このフレームワークはSMからのずれを予測しており、LHCでテスト可能である。
• 新物理は共形場理論（CFT）でなければならない。これにより、フェルミオンの逐次的世代、新しいゲージ群、SMノードルスのスカラーおよびベクトルノードルスが可能となり、ヒッグス、 hypercharge、フェルミオンポータルを通じて結合可能である。
• このモデルはヒッグスの見えない崩壊の最小パラメータ化を可能にし、インフレーションとダークマターの両方をより少ないパラメータで記述可能な枠組みを提供する。