[論文レビュー] Stability of the EW vacuum, Higgs boson, and new physics

Vincenzo Branchina|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、プランクスケールにおける新物理の相互作用が、電弱真空の寿命を劇的に短くする可能性があることを示しており、こうした効果が無視できるとされてきた長年の仮定に疑問を呈している。従来の考えとは異なり、標準模型の安定性位相図は新物理に強く依存しており、$φ^6$ や $φ^8$ といった高次元オペレーターによって、真空の寿命は $10^{555}T_U$ から $10^{-208}T_U$ に短縮され、修正されていないポテンシャルに基づく結論は無効化される。

ABSTRACT

The possibility that the Standard Model (SM) is valid up to the Planck scale $M_P$, i.e. that new physics occurs only around $M_P$, is nowadays largely explored. For a metastable EW vacuum, we show that new physics interactions can have a great impact on its lifetime, and, differently from previous analyses, they cannot be neglected. Therefore, contrary to usual believes, the stability phase diagram of the SM depends on new physics. This has far reaching consequences. Beyond SM theories can be tested against their prediction for the stability of the EW vacuum. Moreover, despite of some recent claims, higher precision measurements of the top and Higgs masses cannot provide any definite answer on the SM stability properties. Finally, doubts on Higgs inflation scenarios, all based on results obtained neglecting new physics interactions, are also cast.

研究の動機と目的

• プランクスケールにおける新物理が電弱真空安定性にほとんど影響しないという仮定に挑戦すること。
• 高次元オペレーターが標準模型におけるバウンス解と真空崩壊率にどのように影響するかを調査すること。
• 新物理相互作用を含めた場合に、$M_H$-$M_t$ 平面上の安定性位相図の有効性を再評価すること。
• プランクスケールにおける新物理を含めた場合に、ヒッグスインフレーションと近臨界性のシナリオの頑健性をテストすること。
• 真空寿命の制約に基づいて、新しいBSM安定性テストを確立すること。

提案手法

• 論文は、ヒッグス有効ポテンシャルのユークリッド運動方程式に対するバウンス解を用いて、トンネル遷移率 $\Gamma = 1/\tau$ を計算している。
• プランクスケールにおける新物理効果をモデル化するために、係数 $\lambda_6 = -2$, $\lambda_8 = 2.1$ を持つ高次元オペレーター $\phi^6$ と $\phi^8$ を導入している。
• バウンス解の作用 $S[\phi_b]$ を数値的に評価し、$S[\phi_b^{(1)}] \sim 1833$ および $S[\phi_b^{(2)}] \sim 82$ が得られた。
• フラクチュエーション行列式と1ループ補正 $\Delta S_i$ を関数行列式法により含め、崩壊率を精緻化している。
• 新物理あり・なしの両方で寿命 $\tau$ を計算し、$\tau_0 \sim 10^{555}T_U$ と $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$ を比較している。
• パワー・カウンティングの議論により、バウンスの選択において、摂動的効果よりも非摂動的効果が支配的であることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクスケールにおける新物理の相互作用は、電弱真空の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 高次元オペレーター $\phi^6$ や $\phi^8$ を含めることで、真空崩壊率は著しく変化するか？
• RQ3 新物理を含めた場合に、$M_H$-$M_t$ 平面上の標準的安定性位相図は依然として有効か？
• RQ4 プランクスケールにおける新物理を含めた場合に、ヒッグスインフレーションのシナリオや近臨界性の仮定は頑健か？
• RQ5 トップおよびヒッグス粒子の質量の精密測定のみで、標準模型の真空安定性状態を決定できるか？

主な発見

• プランクスケールにおける新物理の相互作用により、電弱真空の寿命は $\tau_0 \sim 10^{555}T_U$ から $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$ に短縮され、760桁以上も短縮される。
• 崩壊率の主な寄与は、新物理相互作用を無視した場合に見過ごされるバウンス解 $\phi_b^{(2)}$ に起因する。
• 1ループ補正 $\Delta S_i$ を含めても結果に顕著な変化はなく、$\tau_{np} \sim 10^{-189}T_U$ が得られる。
• プランクスケールにおける新物理効果が無視できるという標準的仮定は、真空安定性に関して誤りであり、非摂動的効果が支配的である。
• 標準模型の安定性位相図は普遍的ではなく、新物理の具体的な形に依存しており、修正されていないポテンシャルに基づく従来の結論は無効化される。
• ヒッグスインフレーションのシナリオや近臨界性の主張は、こうした新物理相互作用の存在を前提としていないと強く疑わされる。