[論文レビュー] Stability and UV completion of the Standard Model

Vincenzo Branchina, Emanuele Messina|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、電弱真空安定性に高エネルギースケールの新物理が与える影響をテストするため、重いスカラー場およびフェルミオン場を導入した標準模型の正則化可能なUV完成形を提示する。広く受け入れられている遮断性（decoupling）の仮定とは異なり、このような新物理は不安定化スケールを顕著に低下させ、真空の寿命を短くする。これは高エネルギー物理が安定性解析に影響を与えないという考えを無効にすることを示している。

ABSTRACT

The knowledge of the stability condition of the electroweak (EW) vacuum is of the greatest importance for our understanding of beyond Standard Model (BSM) physics. It is widely believed that new physics that lives at very high energy scales should have no impact on the stability analysis. This expectation has been recently challenged, but the results were controversial as new physics was given in terms of non-renormalizable higher order operators. Here we consider for the first time a renormalizable (toy) UV completion of the SM, and definitely show that such a decoupling does not take place. This result has important phenomenological consequences, providing a very useful test for BSM theories. In particular, it shows that speculations based on the so called "criticality" do not appear to be well founded.

研究の動機と目的

• 電弱真空の安定性に、不安定化スケール（ϕ_inst ~ 10^11 GeV）よりもはるかに高いエネルギー スケールでの新物理が与える影響をテストすること。
• 高エネルギー新物理は遮断され、真空安定性計算に影響しないという広く受け入れられている仮定に反論すること。
• 非正則化可能な高次元オペレーターに基づく従来の解析に対する、きめ細やかな正則化可能な代替案を提供すること。
• ヒッグス粒子およびトップクォーク質量の測定結果を踏まえて、BSM理論の妥当性を、真空安定性への影響に基づいて評価すること。
• 測定されたヒッグス粒子およびトップクォーク質量が安定性直線に近いという観察が物理的に意味を持つのか、それとも不完全なUV物理学を考慮しない結果としてのアーティファクトに過ぎないのかを明確にすること。

提案手法

• 不安定化スケール ϕ_inst ~ 10^11 GeV よりもはるかに大きな質量 MS および Mf を持つ新しいスカラー場 S およびフェルミオン場 ψ を導入することで、標準模型の正則化可能なUV完成形を構築する。
• 正則化可能な相互作用を含める：S の四次自己相互作用、Higgs-S 相互作用（2gS(Φ†Φ)S²）、ψ のディラック質量項、および Φ と ψ 間のヤコビ型結合（g_f）。
• S および ψ がヒッグスの四次結合定数および質量に与える影響を含めた、1ループ補正を用いて有効ヒッグスポテンシャルを計算する。
• コロンネル＝デルゥッチャインスタントン法を用いて真空崩壊率 τ を計算し、不安定化スケール ϕ_inst は V(ϕ_inst) = V(v) で定義する。
• UV完成モデルの安定性位相図（M_H vs. M_t）を元のSMと比較し、不安定化線および安定化線のシフトを追跡する。
• 2つのベンチマークパラメータセットについて数値解析を実施し、真空安定性がUV物理パラメータにどれほど敏感であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不安定化スケール ϕ_inst ~ 10^11 GeV よりもはるかに高いエネルギー スケールでの新物理は、電弱真空安定性解析から遮断されるのか？
• RQ2 完全に正則化可能なSMのUV完成形は、SMの相互作用のみを含む標準模型と比較して、安定性位相図をどのように変化させるか？
• RQ3 重いスカラー場およびフェルミオン場の存在が、M_H–M_t 平面上の不安定化線および安定化線をどの程度シフトさせるか？
• RQ4 測定されたヒッグス粒子およびトップクォーク質量が安定性直線に近いという観察は、真空安定性の信頼できる指標であるのか、それともUV物理学を考慮しない結果としてのアーティファクトに過ぎないのか？
• RQ5 新しい粒子が ϕ_inst よりもはるかに高いスケールに存在する場合でも、高スケール新物理が真空寿命 τ を顕著に短縮できるか？

主な発見

• 不安定化スケール ϕ_inst は、SMと比較してUV完成モデルにおいて顕著に低下しており、真空がより低い場の値で不安定になることを示している。
• MS = 1.2 × 10^18 GeV および Mf = 2.4 × 10^15 GeV のベンチマークパラメータセットでは、真空崩壊時間 τ が ~10^180 T_U にまで短縮され、SMの τ ~ 10^600 T_U よりもはるかに短い。
• 実験的点（MH ≈ 125.09 GeV, Mt ≈ 173.34 GeV）は、特定のパラメータ選択肢では不安定化領域内に位置し、モデルは非妥当なUV完成形であると判明した。
• M_H–M_t 平面上の安定化線および不安定化線は、UV完成形によって下方にシフトしており、これはSM単体の予測よりも真空が不安定であることを意味する。
• 高スケール新物理の存在は、真空安定性条件を劇的に変化させ、スケール >> ϕ_inst での遮断性仮定を無効にしている。
• 実験的点が安定性直線に近いという「臨界性」に基づく推測は正当ではない。なぜなら、この近接性はSMでは考慮されないUV物理学に極めて敏感であるからである。