[論文レビュー] Standard Model with hidden scale invariance and light dilaton

Archil Kobakhidze, Shelley Liang|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、標準模型の最小限の拡張として、隠れたスケール不変性を持つ理論を提案する。ヒッグス質量階層は、古典的スケール不変性の自発的破れから生じる動的なダイラトン場によって安定化される。ダイラトンは二ループレベルでの量子スケール異常によって質量を獲得し、電弱スケールとダイラトンの真空期待値の間の階層に応じて、約0.01 μeVから約100 MeVの範囲で軽いスカラー粒子となる。

ABSTRACT

We consider the minimal Standard Model as an effective low-energy description of an unspecified fundamental theory with spontaneously broken conformal symmetry. The effective theory exhibits classical scale invariance which manifest itself through the dilaton field. The mass of the dilaton is generated via the quantum scale anomaly at two-loop level and is proportional to the techically stable hierarchy between the electroweak scale and a high energy scale given by a dilaton vacuum expectation value. We find that a generic prediction of this class of models is the existence of a very light dilaton with mass between $\sim 0.01$ $μ$eV to $\sim 100$ MeV, depending on the hierarchy of scales. Searches for such a light scalar particle may reveal a fundamental role of conformal invariance in nature.

研究の動機と目的

• 超対称性を導入せずに、標準模型における階層問題を解決すること。
• 電弱スケールと高エネルギー スケールの間の技術的に自然な階層が、ダイラトン場によって維持可能であることを示すこと。
• ダイラトン質量が二ループ階層での量子スケール異常によって動的に生成されることを示すこと。
• 将来の実験で検出可能である可能性のある軽いスカラー粒子（ダイラトン）を予測し、自然に基本的な共形対称性を明らかにすること。

提案手法

• 標準模型のすべての質量パラメータを動的なダイラトン場 χ に拡張し、有効理論における古典的スケール不変性を回復する。
• 明示的にスケール不変性を持つヒッグス-ダイラトンポテンシャルを構築し、結合定数とスケールパラメータをダイラトンの真空期待値 vχ によって生成する。
• 電弱スケールからトップクォーク質量スケールまでの結合定数のランゲージ群方程式（RGE）を用いて、vχ における最小化条件を満たすように進化させる。
• 量子スケール異常を介してダイラトン質量を計算し、ε = vew / vχ に比例する二ループ階層での質量項を生成する。
• 宇宙定数の寄与によってダイラトン質量が不安定化されないよう、真空エネルギーのキャンセレーション条件を導入する。
• ヒッグス粒子との混合と 1/vχ による抑制を通じて、SM粒子へのダイラトン結合を導出し、弱い結合で相互作用する軽いスカラー状態を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超対称性を用いずに、電弱スケールと高エネルギー スケールの間の技術的に自然な階層を達成できるか？
• RQ2 スケール不変な標準模型の拡張において、ダイラトン質量の起源と大きさは何か？
• RQ3 スケール異常からの量子補正が、なぜ二ループ階層でダイラトン質量を生成するのか？
• RQ4 質量がμeVからMeVの範囲にある軽いダイラトンの物性的特徴は何か？
• RQ5 弱い結合性と軽い質量のおかげで、ダイラトンがダークマター候補として機能できるか？

主な発見

• ダイラトン質量は、二ループ階層での量子スケール異常によって生成され、ε = vew / vχ に比例する抑制因子を伴う。
• ダイラトン質量は、電弱スケールとダイラトンの真空期待値の間の階層に応じて、約0.01 μeV から 100 MeV の範囲にわたる。
• 大規模なダイラトンの崩壊定数 fχ による抑制のおかげで、SM粒子と弱く結合する軽いスカラー粒子が予測される。
• 量子レベルでの真空エネルギーのキャンセレーションにより、ダイラトン質量は安定的かつ自然に小さく保たれる。
• ダイラトンは、異常スケール不変性の自発的破れの擬スガウスボソンとして生じ、結合定数は 1/vχ の累乗で抑制される。
• 本モデルは、超対称性に代わる階層問題の有効な代替策を提供し、検出可能な軽いスカラー状態の一般的な予測を行う。