[論文レビュー] Hierarchy Problem and a new Bound State

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|ArXiv.org|Dec 16, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、超対称性に依存せずに標準模型の階層問題を解決するための解決策を提示する。多重点原理を用いて、宇宙定数がゼロである3つの縮重した真空状態を仮定する。この仮定により、ヒッグス粒子の交換によって結合する6つのトップクォークと6つの反トップクォークの束縛状態が生じ、その一つの真空で凝縮することで、電弱スケールが動的に生成され、電弱スケールとプランクスケールの間の観測された階層が、実験的値に近い対数的比で再現される。

ABSTRACT

Instead of solving the fine-tuning problems by some automatic method or by cancelling the quadratic divergencies in the hierarchy problem by a symmetry (such as SUSY), we rather propose to look for a unification of the different fine-tuning problems. Our unified fine-tuning postulate is the so-called Multiple Point Principle, according to which there exist many vacuum states with approximately the same energy density (cosmological constant). Our main point here is to suggest a scenario, using only the pure Standard Model, in which an exponentially large ratio of the electroweak scale to the Planck scale results. This huge scale ratio occurs due to the required degeneracy of three suggested vacuum states. The scenario is built on the hypothesis that a bound state formed from 6 top and 6 anti-top quarks, held together mainly by Higgs particle exchange, is so strongly bound that it can become tachyonic and condense in one of the three suggested vacua. If we live in this vacuum, the new bound state would be seen via its mixing with the Higgs particle. It would have essentially the same decay branching ratios as a Higgs particle of the same mass, but the total lifetime and production rate would deviate from those of a genuine Higgs particle. Possible effects on the rho parameter are discussed.

研究の動機と目的

• 超対称性や裸パラメータの微調整に依存せずに、標準模型の階層問題を解決すること。
• 特に階層問題と宇宙定数問題を含む複数の微調整問題を、単一の原理である真空の縮退によって統一すること。
• 強い結合した6トップクォーク状態の力学を通じて、電弱スケールとプランクスケールの間の大きな比を説明すること。
• 真空内でのトポロジカルな束縛状態との混合によって生じる新しいヒッグス粒子の観測可能なシグネチャを予測すること。これはLHCで検出可能である。

提案手法

• 多重点原理を仮定：エネルギー密度がほぼ等しい（宇宙定数がゼロ）3つの真空状態が存在する。
• 純粋な標準模型がプランクスケールまで有効であり、シー・サウ・スケールでわずかな修正が加わるとして仮定する。
• 6つのトップクォークと6つの反トップクォークからなる束縛状態を導入し、主にヒッグス粒子の交換によって結合され、自己無撞撃的なブートストラップ相互作用を通じて自己一貫的に記述する。
• トップクォークのヒッグス結合定数の重正化群の進行を用いて、電弱スケール（約1.3）におけるその値と基本スケール（約0.4）におけるその値を結びつける。これにより、大きな階層が生じる。
• この束縛状態の真空凝縮を相転移としてモデル化し、物理的真空はその束縛状態が凝縮する真空であると仮定する。
• 束縛状態と標準模型ヒッグス粒子との混合を計算し、同じ崩壊分支比を持つが、全幅と生成断面積が修正された2つの物理的ヒッグス粒子が得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空の縮退を強制することで、超対称性に依存せずに階層問題を解決できるか？
• RQ2 強い結合した6トップクォーク状態が、プランクスケールから電弱スケールを自然に生成するか？
• RQ3 観測されたトップクォークヒッグス結合定数が、束縛状態の凝縮を伴う相転移の臨界結合定数として説明可能か？
• RQ4 真空内に新たな束縛状態が存在する場合、ヒッグス粒子に似た粒子の物性的シグネチャは何か？
• RQ5 このような束縛状態の存在が、ρパラメータやその他の精密電弱観測量に与える影響は何か？

主な発見

• モデルは、電弱スケールにおけるトップクォークヒッグス結合定数が約1.3、基本スケールで約0.4であると予測しており、階層を生成するための必要な進行と整合的である。
• 電弱スケールとプランクスケールの比の対数は、モデルの近似範囲内で約34と予測され、実験的値と一致する。
• 標準模型ヒッグス粒子と6トップ束縛状態との混合から、新しいヒッグス粒子が生じる。この粒子は同じ崩壊分支比を持つが、全幅と生成断面積が修正されている。
• 束縛状態はタキオン的であり、真空で凝縮すると予測され、最も可能性の高いシナリオは、我々がその凝縮が起こる真空に住んでいることである。
• このモデルは特徴的なシグネチャを予測する：2つのヒッグス粒子は、上型および下型クォークへの結合比が同一であり、超対称的2ヒッグスダブルレットモデルとは異なる。
• モデルの誤差範囲内で、予測された臨界ヒッグス結合定数と実験的に測定されたトップクォークヒッグス結合定数の一致により、このシナリオは支持されている。