[論文レビュー] Is there a new physics between electroweak and Planck scales?

Mikhail Shaposhnikov|ArXiv.org|Aug 27, 2007

Computational Physics and Python Applications被引用数 61

ひとこと要約

この論文は、電弱スケールとプランクスケールの間に新たなエネルギースケールを導入しないで、ニュートリノ質量、ダークマター、バリオン非対称性、インフレーションを説明できる最小限の標準模型の拡張（νMSM）を提案する。ヒッグス粒子質量は129–189 GeVの範囲にあり、数keVのX線ラインを示す可能性のあるステアリングニュートリノによるダークマターが予測され、LHC や ILC に新たな物理現象は予測されない。素粒子物理学および天体物理学の分野で検証可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

We argue that there may be no intermediate particle physics energy scale between the Planck mass $M_{Pl}\sim 10^{19}$ GeV and the electroweak scale $M_W \sim 100$ GeV. At the same time, the number of problems of the Standard Model (neutrino masses and oscillations, dark matter, baryon asymmetry of the Universe, strong CP-problem, gauge coupling unification, inflation) could find their solution at $M_{Pl}$ or $M_W$. The crucial experimental predictions of this point of view are outlined.

研究の動機と目的

• 電弱スケールとプランクスケールの間に新たなエネルギースケールが存在しないことを主張し、中間物理学の標準的仮定に挑戦すること。
• ニュートリノ質量、ダークマター、バリオン非対称性、強いCP問題、インフレーションといった標準模型の未解決問題を、一つの枠組みで解決すること。
• 微調整を避けるために、唯一の基本的エネルギースケールを導入する最小限の標準模型の拡張（νMSM）を提示すること。
• 将来的な実験、特にLHC、ILC、X線望遠鏡、ニュートリノのデセント検出実験などでの検証可能な予測を特定すること。
• ゲージ結合定数の統一や大統一理論の必要性を挑戦し、それがプランクスケールで実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 標準模型に右手系ニュートリノ（ステアリング状態）を3つ追加し、軽いインフレートン場を導入することで、νMSMを構築する。
• ステアリングニュートリノのマヨラナ質量項を介したシー・スイッチ機構を用い、$ m_\nu \sim v^2 / M_{\text{Pl}} $ により、小さなアクティブニュートリノ質量を生成する。
• 重いステアリングニュートリノのCP対称性を破る崩壊によってレプトゲネシスを実装し、バリオン非対称性を生成する。
• 電弱スケール未満の質量を持つスカラー単一状態（インフレートン）を導入し、インフレーションを駆動し、再熱後に標準模型粒子に崩壊する。
• プランクスケールを介して高次元オペレーターを抑制し、ヒッグス粒子質量が129–189 GeVの範囲にある限り、標準模型が $ M_{\text{Pl}} $ まで有効であることを保証する。
• レプトン数の対称性を用いて、ステアリングニュートリノの小さな質量を保護し、微調整を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱スケールとプランクスケールの間に新たなエネルギースケールを導入しないで、標準模型の未解決問題をすべて解決可能か？
• RQ2 ヒッグス粒子質量が129–189 GeVの範囲にある標準模型が、プランクスケールまで一貫した有効場理論として成立するか？
• RQ3 ステアリングニュートリノが、レプトゲネシスを介してダークマターおよびバリオン非対称性の源として機能可能か？
• RQ4 高エネルギースケールでの新たな物理を要件とせず、軽いスカラー単一状態がインフレーションを駆動可能か？
• RQ5 LHC、ILC、またはX線望遠鏡で検証可能なνMSMの観測シグナルは何か？

主な発見

• 標準模型がプランクスケールまで一貫した有効場理論として成立するためには、ヒッグス粒子質量が $ 129 \, \text{GeV} < M_H < 189 \, \text{GeV} $ の範囲にある必要がある。
• 数keVの質量を持つステアリングニュートリノダークマターは、$ \sim 3.5 \, \text{keV} $ 付近に狭いX線ラインを生成する可能性があり、X線望遠鏡で検出可能である。
• νMSMはLHCやILCに新たな物理を予測せず、129–189 GeVの範囲ではヒッグス粒子のみが新たに予想される。
• 電子ニュートリノのマヨラナ質量は $ m_{ee} \leq 0.05 \, \text{eV} $ に制限され、現在のゼロニュートリノ双ベータ崩壊探索の限界と整合的である。
• 質量が $ \lesssim 1 \, \text{GeV} $ の2つのほぼ degenerate で弱く結合するステアリングニュートリノが予測され、珍しい中間子または$ \tau $-レプトンの崩壊で検出可能である可能性がある。
• 重いステアリングニュートリノのCP対称性を破る崩壊により、宇宙のバリオン非対称性が生成可能であり、その符号と大きさはモデルで固定される。