[論文レビュー] The Hierarchy Problem: From the Fundamentals to the Frontiers

Seth Koren|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 266被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、LHCのnull結果を踏まえて、素粒子物理学における階層問題を再考し、これを『ローアーキー問題』（The Loerarchy Problem）として再定義する。重力によるEFTの破綻が、LHCで観測された自然性の破れを説明できるかもしれないと提案する。新しい有効場理論技術を導入し、新しい物理を導入せずに赤外スケールの補正を生成するため、運動量に依存する相互作用を持つ補助場を用いる。

ABSTRACT

We begin this thesis with an extensive pedagogical introduction aimed at clarifying the foundations of the hierarchy problem. After introducing effective field theory, we discuss renormalization at length from a variety of perspectives. We focus on conceptual understanding and connections between approaches, while providing a plethora of examples for clarity. With that background we can then clearly understand the hierarchy problem, which is reviewed primarily by introducing and refuting common misconceptions thereof. We next discuss some of the beautiful classic frameworks to approach the issue. However, we argue that the LHC data have qualitatively modified the issue into `The Loerarchy Problem'---how to generate an IR scale without accompanying visible structure---and we discuss recent work on this approach. In the second half, we present some of our own work in these directions, beginning with explorations of how the Neutral Naturalness approach motivates novel signatures of electroweak naturalness at a variety of physics frontiers. Finally, we propose a New Trail for Naturalness and suggest that the physical breakdown of EFT, which gravity demands, may be responsible for the violation of our EFT expectations at the LHC.

研究の動機と目的

• 有効場理論と正則化の教育的導入を通じて、階層問題の基礎的概念を明確化すること。
• LHCのデータを踏まえて階層問題を再定式化し、TeVスケールに新しい物理が存在しないという事実が、これを『ローアーキー問題』に変容させたと主張すること。
• 新しい物理が目に見えない状況で、有効場理論に赤外スケールの補正を生成するための新手法を開発すること。
• 重力によって引き起こされるEFTの物理的破綻が、LHCで観測された自然性の期待外れの違反を説明できるかもしれないと提案すること。

提案手法

• 微分作用素を用いた補助場を用いて、2点関数および3点関数における運動量に依存する補正を生成する。
• f(Φ(φ)) などの非自明な微分作用素を含むラグランジアン項を導入し、有効相互作用の運動量依存性を制御する。
• スカラー場およびフェルミオン場の両方に対して適用し、補正における正しいローレンツ構造とゲージ不変性を保証する。
• 補助場を統合することで、所望の運動量依存性を持つ有効ラグランジアンを導出する。
• 同じ補助場構造が、独立した運動量依存性を持つ2点関数および3点関数の両方を補正できることを示す。
• 高エネルギースケールにおいてEFTが高エネルギー物理を記述できなくなる（重力的効果によって）という事実が、観測された自然性の破れの背後に潜む可能性を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、TeVスケールに新しい物理を導入せずに、有効場理論において赤外スケールの補正を生成できるか？
• RQ2 運動量に依存する相互作用を持つ補助場が、EFT振幅をどのように変更するか、その概念的・技術的役割は何か？
• RQ3 なぜLHCのnull結果が階層問題を『ローアーキー問題』に変えたのか？
• RQ4 補助場から生じる運動量に依存する有効相互作用は、新しい共鳴状態を必要とせずにヒッグス粒子質量の補正を再現できるか？
• RQ5 高エネルギーでEFTが破綻する（重力的要因によって）ことが、観測された自然性の破れの原因であるとみなせるか？

主な発見

• 補助場の統合を通じて、運動量に依存する補正を持つ有効ラグランジアンを導出でき、2点関数および3点関数における赤外発散を制御可能である。
• 相互作用項に f(Φ(φ)) のような微分作用素を導入することで、2点関数と3点関数の補正における独立した運動量依存性を実現できる。
• フェルミオン系ではローレンツ構造の取り扱いに注意が必要であり、本手法は補助場相互作用によって正しいテンソル構造を保持するのに成功している。
• 非対角的補助場伝播関数を用いることで、2点関数および3点関数を独立した運動量依存性を持つように同時に補正できることが示された。
• 重力的効果によって高スケールでEFTフレームワーク自体が破綻するならば、LHCで新しい物理が観測されないことは、自然性と矛盾しない可能性がある。
• 本研究は、重力によって示唆されるEFTの物理的破綻が、LHCにおける自然性期待の失敗を説明できる新たな自然性の道筋を提案する。