[論文レビュー] Naturalness after LHC8

Gian F. Giudice|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、LHCがTeVスケールで新しい物理学を発見しなかったにもかかわらず、自然性原理が高エネルギー物理学における有効場理論の有効な指針のままであると主張している。論文は、有効場理論の信頼性を疑う主張に対して反論し、重い状態がヒッグス粒子に寄与する加法的量子補正が、二次発散が存在しない理論でもヒッグス質量の階層問題を引き起こすことを示しており、自然性が正規化の結果ではなく、EFTにおける本質的特徴であることを明らかにしている。

ABSTRACT

I review the status of naturalness of the weak scale after the results from the LHC operating at an energy of 8 TeV. Talk delivered at the 2013 Europhysics Conference on High Energy Physics (EPS), Stockholm, Sweden, 18-24 July 2013.

研究の動機と目的

• LHCのnull結果の後、高エネルギー物理学界における自然性原理の有効性に対する懸念が高まっているのを踏まえ、自然性原理がまだ有効な指針であるかを検討すること。
• 自然性問題が正規化や冪発散に起因するものではなく、ヒッグスに結合する重い状態の存在に起因するものであることを明確にすること。
• 自然性が正規化手法に依存しない、ヒッグス質量項の加法的再結合に起因することを示すこと。
• LHCで新しい物理学が観測されなかったからといって、有効場理論フレームワークや自然性原理が無効になるわけではないことを主張すること。
• 超対称性、複合ヒッグス、マルチバースといったさまざまな新物理学の可能性を、自然性の枠組み内で評価すること。特にLHC8のデータを踏まえて検討する。

提案手法

• UVカットオフΛをもつ有効場理論におけるヒッグス質量補正を分析し、量子補正がΛ²に比例して増大することを示し、階層問題を生じることを示す。
• カットオフΛを明示的な重い粒子質量M（例：新しいスカラーΦやストップスキューク）に置き換えることで、正規化に関する曖昧さを排除し、自然性問題が依然として存在することを示す。
• 非超対称および超対称モデルにおける明示的ループ計算を用い、冪発散ではなく対数発散がヒッグス質量を不安定化させることを示す。
• 自然性問題が正規化手法に依存しない、ヒッグス質量項の加法的再結合に起因することを示す。
• 既知の例（例：陽電子が電子自己エネルギーを解決する、ラオ中間子がパイオン質量分裂を解決する）を適用し、自然性の歴史的成功を示す。
• 新物理学がヒッグスカップリングに与える影響を評価し、ヒッグス生成および崩壊断面積における定量的偏差（例：超対称性におけるσ(gg→h)Γ(h→γγ)）を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCがTeVスケールで新しい物理学を発見しなかった現在、有効場理論の信頼性は依然として保たれているか？
• RQ2 自然性問題は、次元正規化とカットオフ正規化の違いといった正規化手順に依存するか？
• RQ3 階層が存在しない（つまり、1つの質量スケールしか持たない）理論において、自然性問題を意味的に定式化できるか？
• RQ4 ヒッグスカップリングのずれがどの程度新物理学を示唆するか。また、超対称性のようなモデルにおける自然性とどのように相関するか？
• RQ5 LHC8のデータは、モデル構築における自然性原理の有効性にどのような含みを持つのか？

主な発見

• 自然性問題は正規化の結果ではなく、二次発散が消える次元正規化においても依然として存在する。
• ヒッグス質量は、スカラー、フェルミオン、ゲージボソンのいずれの重い状態に対しても、正規化手法に依存せず加法的量子補正を受ける。
• 超対称性では、二次発散が存在しないにもかかわらず、ストップ質量の二乗に比例する対数補正がヒッグス質量を不安定化させる。
• 200 GeVのデゲネレートストップでは、グルーオン融合によるヒッグス生成率および二光子崩壊の偏差が標準模型予測から最大50％まで変動するが、600 GeVのストップでは偏差は2％にまで低下する。
• ヒッグス粒子がより自然であるほど（つまり、チューニングが小さいほど）、そのカップリングの標準模型予測からのずれが大きくなる。
• LHCで新しい物理学が観測されなかったからといって、自然性原理が無効になるのではなく、むしろ新物理学が存在するとしても、極めて制約が厳しいか、マルチバースの構造に埋め込まれている可能性を示唆する。