[論文レビュー] The Higgs vacuum is unstable

Archil Kobakhidze, Alexander Spencer-Smith|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 48

ひとこと要約

本稿では、高精度な重縮重群計算により、標準模型のヒッグス真空が不安定であることが示され、臨界不安定性スケール Λ_I ≈ 10^9 GeV である。BICEP2が初期宇宙の重力波を検出したことにより、高エネルギーインフレーションスケール（約10^14 GeV）が示唆されており、ヒッグス真空はインフレーション期に急速に崩壊するだろう。その結果、ブラックホール崩壊が生じる。これは、10^9 GeV未満のエネルギーでヒッグス真空を安定化させる、標準模型を超える新しい物理が存在しなければならない、強く示唆する。

ABSTRACT

So far, the experiments at the Large Hadron Collider (LHC) have shown no sign of new physics beyond the Standard Model. Assuming the Standard Model is correct at presently available energies, we can accurately extrapolate the theory to higher energies in order to verify its validity. Here we report the results of new high precision calculations which show that absolute stability of the Higgs vacuum state is now excluded. Combining these new results with the recent observation of primordial gravitational waves by the BICEP Collaboration, we find that the Higgs vacuum state would have quickly decayed during cosmic inflation, leading to a catastrophic collapse of the universe into a black hole. Thus, we are driven to the conclusion that there must be some new physics beyond the Standard Model at energies below the instability scale $Λ_I \sim 10^{9}$ GeV, which is responsible for the stabilisation of the Higgs vacuum.

研究の動機と目的

• 標準模型の結合定数の改良された重縮重群による走破を用いて、電弱ヒッグス真空の安定性を決定すること。
• 観測されたヒッグスボソン質量とトップクォーク質量が、長期的な真空安定性と整合しているかを評価すること。
• 特に高エネルギーインフレーション条件下での、真空崩壊の宇宙論的結果を評価すること。
• 高エネルギーでヒッグスポテンシャルを安定化させる、標準模型を超える新しい物理の強力な根拠を提示すること。

提案手法

• 質量依存の1ループβ関数とMSバーの2ループ・3ループβ関数を組み合わせた混合重縮重群スキームを採用し、臨界点マッチングの精度を向上させた。
• 更新された実験的入力（M_h = 125.9 ± 0.4 GeV、M_t = 173.34 ± 0.82 GeV、α₃(M_Z)）を用いて、ヒッグス自己結合定数 λ(μ) の走破を計算した。
• 正確なゲージ不変性を保ち、粒子質量臨界点における虚数部の適切な取り扱いを含む1ループ臨界点補正を適用した。
• インフレーション期のde Sitter空間における真空崩壊をモデル化するために、Coleman–De Lucciaインスタントン機構を用いた。
• 崩壊確率は、p ≈ N_e^4 exp(π²β̄_λ Λ_I⁴ / (2e H_inf⁴)) の式により評価した。ここで H_inf ≈ 10^14 GeV は BICEP2 からのものである。
• インフレーションのグローバル安定性を、時間τ経過後の依然としてインフレーションが続く宇宙の割合を分析することで評価し、永遠のインフレーションは成立しないことを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的入力に基づいて、標準模型の電弱ヒッグス真空は高エネルギーで真に安定しているのだろうか？
• RQ2 高次の補正と改良された臨界点マッチングを含めた場合、ヒッグスポテンシャルの正確な不安定性スケール Λ_I は何か？
• RQ3 BICEP2が観測した初期宇宙の重力波信号は、ヒッグス真空崩壊を引き起こす高エネルギーインフレーションスケールを示唆するのだろうか？
• RQ4 インフレーション期におけるヒッグス真空の急速な崩壊は、標準模型が自然の完全な理論であることを排除するのだろうか？
• RQ5 ヒッグス真空を安定化させるために必要な新しい物理のスケールは何か？また、そのような物理はどこで検出可能だろうか？

主な発見

• 改良された1ループ臨界点マッチングと高精度な結合定数を用いた結果、ヒッグス真空は不安定であり、臨界不安定性スケールは Λ_I ≈ 10^9 GeV である。
• 真空崩壊を避けるためには、トップクォーク質量が170.54 GeV未満でなければならないが、これは実験値173.34 ± 0.82 GeV より3.4σ低い。
• BICEP2による初期重力波モードの測定は、インフレーションのハッブルスケール H_inf ≈ 10^14 GeV を示唆し、その結果、崩壊確率は p ≈ N_e^4 ≫ 1 となる。
• インフレーション期の真空崩壊はあまりに速く、宇宙全体で約1.4 Hubble時間以内にインフレーションが停止するため、永遠のインフレーションは成立しない。
• 真空不安定性と高エネルギーインフレーションスケールの組み合わせから、標準模型は完全な理論ではなく、Λ_I ≈ 10^9 GeV 未満に新しい物理が存在しなければならない。
• インフレーション期におけるヒッグス有効質量の増大やヒッグス駆動インフレーションのシナリオは、許容できないほど速いColeman–de Luccia崩壊を引き起こすため、除外される。