[論文レビュー] Towards a Higgs mass determination in asymptotically safe gravity with a dark portal

Astrid Eichhorn, Martin Pauly+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 229被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、ヒッグス・ポータルを介したダークスカラーおよびフェルミオンと、量子重力における漸近的健全性を組み合わせた標準模型の玩具的モデルを提案し、初等的原理からヒッグス粒子質量を予測する。漸近的健全性を活用することで、対称性の自発的破れによって生じるダークセクターの自由パラメータが、1次レベルの混合を通じてヒッグス粒子質量を顕著に低減させ、理論的予測を観測された125 GeVのヒッグス粒子質量と一致させることに成功する。

ABSTRACT

There are indications that an asymptotically safe UV completion of the Standard Model with gravity could constrain the Higgs self-coupling, resulting in a prediction of the Higgs mass close to the vacuum stability bound in the Standard Model. The predicted value depends on the top quark mass and comes out somewhat higher than the experimental value if the current central value for the top quark mass is assumed. Beyond the Standard Model, the predicted value also depends on dark fields coupled through a Higgs portal. Here we study the Higgs self-coupling in a toy model of the Standard Model with quantum gravity that we extend by a dark scalar and fermion. Within the approximations used in arXiv:2005.03661 , there is a single free parameter in the asymptotically safe dark sector, as a function of which the predicted (toy model) Higgs mass can be lowered due to mixing effects if the dark sector undergoes spontaneous symmetry breaking.

研究の動機と目的

• 量子重力における漸近的健全性が、ダークポータルを有するUV完備の標準模型拡張においてヒッグス粒子質量を予測できるかを検討すること。
• ヒッグス・ポータルを介して結合するダークスカラーおよびフェルミオンセクターが、漸近的健全性の下でヒッグス粒子質量の予測に与える影響を調査すること。
• ダークセクターにおける対称性の自発的破れが、予測されるヒッグス粒子質量を観測された125 GeVの値に著しく低減させられるかを特定すること。
• 得られるモデルが、同時に物理的で安定なダークマター候補を提供し、宇宙論的制約を満たすかを評価すること。
• 有効場理論的手法と比較して、漸近的健全性がBSMモデルのパラメータ空間をどの程度縮小できるかを評価すること。

提案手法

• UV固定点からIRへの結合定数のRGフローを研究するために、関数的ランゲルギン群（FRG）アプローチを用いる。
• 実スカラー（ヒッグス）、フェルミオン（トップクォーク類似体）、ダークスカラー、ダークフェルミオンを含む玩具的モデルを導入し、すべてがヒッグス・ポータルおよびヤコビ相互作用によって結合されている。
• すべてのベータ関数がUV固定点で消えるように要請することで漸近的健全性を課し、ダークセクターを1つの自由パラメータに簡略化する。
• 可視系のヤコビ結合定数を一定に保ちつつ、ダークセクターの影響を分離するため、固定ヤコビスキャンを実施する。
• 可視スカラーとダークスカラーの1次レベルの混合が物理的ヒッグス粒子質量に与える影響を分析し、特にダークスカラーが対称性の自発的破れを経験する場合に注目する。
• ビッグバン核合成（BBN）による相対論的自由度の制約およびダークマターの残存密度を含む宇宙論的制約を評価し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子重力における漸近的健全性は、ダークポータルを有するUV完備の標準模型においてヒッグス粒子質量を予測できるか？
• RQ2 ヒッグス・ポータルを通じて結合するダークスカラーおよびフェルミオンセクターの導入が、漸近的健全性の下で予測されるヒッグス粒子質量にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ダークセクターにおける対称性の自発的破れが、ヒッグス粒子質量の予測をどのように変更するか？
• RQ4 このモデルは、同時に125 GeVのヒッグス粒子質量を予測し、物理的で安定なダークマター候補を提供できるか？
• RQ5 有効場理論的手法と比較して、漸近的健全性がBSMモデルのパラメータ空間をどの程度縮小できるか？

主な発見

• 中心的なトップクォーク質量値を用いた純粋な標準模型において、漸近的健全性を適用した場合、観測された125 GeVを上回るヒッグス粒子質量が予測される。
• ダークスカラー系における対称性の自発的破れは、ヒッグス粒子と顕著な1次レベルの混合を引き起こし、これにより予測されるヒッグス粒子質量が観測値に一致するように低減される。
• ダークセクターの対称性の自発的破れがない場合、ヒッグス粒子質量への修正は無視できるほど小さく、SUSYが大きな効果を発揮するためには不可欠であることが示された。
• 漸近的健全性から生じるダークセクターの1つの自由パラメータを調整することで、観測された125 GeVのヒッグス粒子質量を再現できる。
• ダークフェルミオンはダークスカラーの対称性の自発的破れ後に質量を獲得し、安定で有限の残存密度を持つダークマター候補となり、BBN制約と整合的である。
• モデルは宇宙論的制約を満たしている：ダークスカラーは不安定（残存密度ゼロ）、ダークフェルミオンの相対論的自由度は宇宙の閉じすぎを引き起こさない。