[論文レビュー] Review of Neutral Naturalness

Brian Batell, Matthew Low+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

このレビューは、ヒッグスの自然性とダークマター、コライダー信号、宇宙論、フラバー物理学を統合する、対称性に基づくヒエラルキー問題の解決策である中性自然性の理論的枠組みを要約する。離散的対称性のもとで標準模型クォークに色なしの対応粒子を仮定することで、二重ヒッグス模型が中心的な実現形として浮き彫りになり、エネルギー、強度、宇宙のフロンティアにわたり豊かな物性を示す。

ABSTRACT

The hierarchy between the mass parameter of the Higgs boson and larger mass scales becomes ever more puzzling as experiments explore higher energies. Neutral naturalness is the umbrella term for symmetry-based explanations for these hierarchies whose quark symmetry partners are not charged under the SU(3) color gauge group of the Standard Model. Though the first manifestations of this idea predate the physics runs of the Large Hadron Collider, since the Higgs discovery this paradigm has grown and developed to include a wide variety of concrete realizations with connections to intriguing collider signals. Determining the phenomenology of such models often requires the characterization - typically relying on lattice calculations - of a new confining gauge symmetry. This presents additional motivation to further develop our understanding of nonperturbative field theory as well as to pursue specific lattice studies. The wide range of suggested hidden sectors also produces a variety of dark matter candidates, intersections with astrophysics and cosmology, and ties to neutrinos and flavor. In this review, we orient the reader within both this growing collection of specific models and the physical phenomena they produce. We also survey the often less familiar dynamics of hidden-sector glueballs and quirks. In addition to providing a guide to past efforts, we reveal interesting directions for further study.

研究の動機と目的

• 中性自然性という、ヒエラルキー問題を離散的対称性によって解決するモデル群の文献を体系的に整理・レビューすること。
• エネルギー、強度、宇宙のフロンティアにわたる中性自然性の主要な物性的兆候を特定・分析すること。
• ダークマター、ニュートリノ物理学、フラバー構造、強いCP問題といった素粒子物理学における未解決問題との中性自然性の関連を探ること。
• UV完備化と格子ゲージ理論が、これらのモデルにおける強い結合した隠れたセクターを調べる上で果たす役割を強調すること。
• 簡略化モデルのベンチマークとしての中性自然性の可能性と、将来の実験的探索の指針としての中性自然性の役割を明らかにすること。

提案手法

• 二重ヒッグス模型およびその変種を代表例として、中性自然性モデルの体系的分類。
• ヒッグスポテンシャル内の二次的発散をキャンセルするために不可欠な、数TeVスケールの新しい色荷を持つ状態を含むUV完備化の分析。
• 離散的 $Z_2$ 対称性を用いて、標準模型の $SU(3)_c$ を隠れたセクターの $SU(3)$ ゲージ群に結びつける。これにより、二重またはミラー粒子が生じる。
• 有効場理論的手法を用いて、ヒッグスカップリング、異常な崩壊モード、ダークセクターとのポータル相互作用を記述する。
• 格子ゲージ理論を活用し、強い結合した隠れた $SU(3)$ セクターの非摂動的性質（束縛状態スペクトル、行列要素など）を計算する。
• 可視セクターとミラーセクターの両方におけるフラバー構造の調査。特に、$Z_2$ の自発的対称性破れと、Froggatt-Nielsen型メカニズムを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性自然性モデルにおける離散的対称性は、色荷を持つスーパーパartnerを必要とせずに、どのようにヒッグス質量の自然性を保証するのか？
• RQ2 中性自然性モデルの隠れたセクターから生じる主要なコライダー信号（例：半可視ジェット、クアイル、長寿命粒子）は何か？
• RQ3 中性自然性フレームワークは、どのようにして実現可能なダークマター候補（例：ミラー核子、ミラーレプトン、WIMP型状態）を実現するのか？
• RQ4 中性自然性モデルは、ハッブル定数の矛盾や21cm吸収信号の異常といった宇宙論的矛盾をどのように解消できるのか？
• RQ5 ミラーセクターのフラバー構造が、対称性とUV完備化を通じて可視セクターの観測可能な現象とどの程度結びつけることができるのか？

主な発見

• 二重ヒッグス模型は、千分の1レベルの微調整で済むヒッグス自然性の堅実なフレームワークを提供する中で、中性自然性の最も発展した実現形のままである。
• 中性自然性モデルのUV完備化は、一般的に数TeVスケールの新しい色荷を持つ状態を含んでおり、これにより将来の高エネルギーコライダーで観測可能となる。
• 標準模型と隠れた $SU(3)$ セクターを結ぶ離散的対称性は、ミラー核子やミラーレプトンといったダークマター候補を自然に生じさせ、観測されたダークマターの残存密度を説明可能である。
• 異常なヒッグス崩壊やヒッグスカップリングのずれは、将来のヒッグスファクトリーで直接的に隠れたセクターと自然性のメカニズムを覗き込む窓を提供する。
• 格子ゲージ理論は、強い結合した隠れた $SU(3)$ セクターの非摂動的入力を得るために不可欠であり、束縛状態スペクトルや行列要素の予測を可能にする。
• ニュートリノ物理学への接続としては、ミラー中性子の崩壊や共鳴的光子変換によって、LSND/MiniBooNEの異常やEDGESの21cm信号を説明できる可能性がある。