[論文レビュー] Predictive Landscapes and New Physics at a TeV

N. Arkani-Hamed, Dimopoulos, Savas+1 more|ArXiv.org|Jan 12, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 41

ひとこと要約

この論文は、真空エネルギーとヒッグス粒子の質量という次元を持つパラメータのみを多宇宙の真空の広大な集合において精密にスキャンする予測可能なランドスケープモデルを提案する。次元のない結合定数は固定されたままであり、標準模型の予測の成功を保つ。このモデルは、宇宙定数問題とヒerarchy問題を同時に解決し、TeVスケールでの新しい物理（弱いスケールのヒッグシノがダークマターである可能性を含む）を予測し、真空安定性やバリオンの存在といった環境的制約によって弱いスケールを理解するための枠組みを提供する。

ABSTRACT

We propose that the Standard Model is coupled to a sector with an enormous landscape of vacua, where only the dimensionful parameters--the vacuum energy and Higgs masses--are finely "scanned" from one vacuum to another, while dimensionless couplings are effectively fixed. This allows us to preserve achievements of the usual unique-vacuum approach in relating dimensionless couplings while also accounting for the success of the anthropic approach to the cosmological constant problem. It can also explain the proximity of the weak scale to the geometric mean of the Planck and vacuum energy scales. We realize this idea with field theory landscapes consisting of $N$ fields and $2^N$ vacua, where the fractional variation of couplings is smaller than $1/\sqrt{N}$. These lead to a variety of low-energy theories including the Standard Model, the MSSM, and Split SUSY. This picture suggests sharp new rules for model-building, providing the first framework in which to simultaneously address the cosmological constant problem together with the big and little hierarchy problems. Requiring the existence of atoms can fix ratio of the QCD scale to the weak scale, thereby providing a possible solution to the hierarchy problem as well as related puzzles such as the $μ$ and doublet-triplet splitting problems. We also present new approaches to the hierarchy problem, where the fine-tuning of the Higgs mass to exponentially small scales is understood by even more basic environmental requirements such as vacuum stability and the existence of baryons. These theories predict new physics at the TeV scale, including a dark matter candidate. The simplest theory has weak-scale "Higgsinos" as the only new particles charged under the Standard Model, with gauge coupling unification near $10^{14}$ GeV.

研究の動機と目的

• 標準模型における次元のない結合定数の固定が成功しているのと、多宇宙における真空エネルギーの人為的選択を調和させること。
• 次元を持つパラメータのみを精密スキャンするランドスケープを通じて、宇宙定数問題とヒerarchy問題を同時に解決すること。
• 弱いスケールがプランクスケールと真空エネルギースケールの幾何平均に近い理由を説明するメカニズムを導出すること。
• 真空安定性やバリオンの存在といった環境的選択ルールが、QCDスケールと弱いスケールの比を自然に固定すること。
• TeVスケールでの新しい物理（ダークマター候補とゲージ結合定数の統一が約10^14 GeV付近に現れる）を予測すること。

提案手法

• N 個のスカラー場と 2^N 個の真空を持つ場の理論ランドスケープを構築し、真空エネルギーとヒッグス質量をスキャンするが、結合定数は固定する。
• 結合定数の分数的変動が 1/sqrt(N) 比例する統計的枠組みを用い、固定結合定数からの小さなずれを保証する。
• 中心極限定理を適用して、N が大きいとき、低エネルギー物理量の分布が滑らかでガウス分布に近づくことを示す。
• 真空安定性やバリオンの存在といった環境的制約を課し、QCDスケールと弱いスケールの比を固定する。
• ユークリッド経路積分とバウンス解を用いて、-φ⁴理論の不安定性を分析し、真空崩壊率を評価する。
• 負の四次結合定数を持つ古典的スケール不変理論における真空崩壊のトンネル確率を導出し、非摂動的抑制が生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型における次元のない結合定数の固定の予測的パワーを保ちつつ、宇宙定数問題を解決できるか？
• RQ2 次元を持つパラメータのみがスキャンされる多宇宙フレームワークにおいて、ヒerarchy問題はどのように解決できるか？
• RQ3 プランクスケールに対して観測された弱いスケールの値を説明する環境的選択ルールは何か？
• RQ4 真空安定性やバリオンの存在といった物理的整合性条件によって、QCDスケールと弱いスケールの比が動的に固定できるか？
• RQ5 このランドスケープフレームワークが予測するTeVスケールでの新しい物理の明確なシグネチャは何か？

主な発見

• 結合定数の分数的変動は 1/sqrt(N) で抑えられ、ランドスケープ全体で結合定数が実質的に固定されたままであることが予測される。
• 人為的選択によるランドスケープ内での選択により、弱いスケールは自然にプランクスケールと真空エネルギースケールの幾何平均として説明できる。
• 真空安定性やバリオンの存在といった環境的制約が、QCDスケールと弱いスケールの比を固定でき、ヒerarchy問題が解決される。
• 理論は弱いスケールのヒッグシノがダークマター候補であることを予測し、ゲージ結合定数の統一が約10^14 GeV付近に現れる。
• -φ⁴理論における真空崩壊率は、e^{-16π²/(3|λ|)} で非摂動的に抑制され、バウンス解はバブルサイズに依存しない。
• N が大きいとき、低エネルギー物理量の分布は滑らかでガウス分布に近づき、幅が √N Δf となる。これはランドスケープ平均の統計的アプローチの妥当性を裏付ける。