[論文レビュー] Vacuum energy, Standard Model physics and the $750\; m{GeV}$ Diphoton Excess at the LHC

Alexander Yu. Kamenshchik, Alexei A. Starobinsky+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された仮説的な750 GeVの二光子共鳴状態が、その1ループ真空エネルギー寄与のキャンセレーションを要件とすることで、有限で微小な宇宙定数と整合可能かどうかを調査している。量子場理論から導かれる和則規則を用いて、このようなキャンセレーションは、特定の質量と自由度を持つ新たな最小限の粒子内容（特に質量のあるフェルミオンとボソン）を必要とすることを示している。これらの粒子の質量と自由度は、共鳴状態がスカラー、複合フェルミオン-反フェルミオン状態、またはスピン2粒子であるかに応じて、真空エネルギーの有限性を満たすように制約を受ける。

ABSTRACT

The conditions for the cancellation of one loop contributions to vacuum energy (both U.V. divergent and finite) coming from the known (Standard Model) fields and the field associated with the hypothetical 750 Gev diphoton excess are examined. Depending on the nature of this latter resonance we find that in order to satisfy the constraints (sum rules) different additional, minimal field contributions are required, leading to yet to be observed particles.

研究の動機と目的

• 750 GeVの二光子過剰が、その1ループ真空エネルギー寄与のキャンセレーションを要件とすることで、有限で微小な宇宙定数と整合可能かどうかを決定すること。
• 量子場理論における1ループオーダーでの真空エネルギーキャンセレーションのための和則規則を導出し、標準模型および仮説的な新しい粒子に適用すること。
• 真空エネルギー寄与をキャンセルできる最小限で整合性のある粒子内容（ボソンとフェルミオン）を特定すること。これは観測された粒子質量と対称性と整合するように保証される。
• 750 GeV共鳴状態の性質（スカラー、複合フェルミオン対、またはスピン2粒子）が、必要な新しい物理学のスペクトルに与える影響を調査すること。
• 超対称性の破れを仮定し、主要なキャンセレーション関係を保存する枠組みにおいて、このような新しい粒子の有効場理論および重力結合量子場理論における妥当性を評価すること。

提案手法

• ミンコフスキー空間およびデSitter空間におけるスカラー、フェルミオン、スピン2場の1ループ真空エネルギー和則規則を導出し、紫外発散と有限部のキャンセレーションを要件とする。
• 先行研究[4,5]で得られた和則規則を仮説的な750 GeV共鳴状態に適用し、その質量を有効作用における物理的で再正則化された質量として扱う。
• 共鳴状態とすべての新しい場の合計真空エネルギー寄与がゼロまたは微小であるように制約を課し、粒子の質量と自由度を関係付ける方程式を導出する。
• スカラー、複合フェルミオン-反フェルミオン状態、スピン2粒子という異なる共鳴状態仮説に対して、得られた方程式系を解く。
• 発散を扱い、重力と整合する有限な真空エネルギーを保証するために、パウリ＝ヴィラース正則化および再正則化フレームワークを用いる。
• 新しい質量のある場（フェルミオンとボソン）を標準模型の最小限の拡張として導入し、それらの量子数と質量が和則規則を満たすように制約を受けることを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの二光子共鳴状態は、真空エネルギーが有限で微小な量子場理論枠組みに一貫して埋め込めるか？
• RQ2 750 GeV共鳴状態の真空エネルギー寄与をキャンセルできる最小限の新しい粒子（ボソンとフェルミオン）は何か？
• RQ3 必要な新しい粒子の質量と自由度は、750 GeV共鳴状態のスピンおよび複合性にどのように依存するか？
• RQ4 1つか2つの追加の質量のあるフェルミオンのみで真空エネルギーキャンセレーションを達成できるか、それともより多くの場が必要か？
• RQ5 超対称性の破れを仮定した場合、750 GeV状態の真空エネルギーキャンセレーションの実現可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 750 GeV共鳴状態がスカラーである場合、最小限の粒子内容には、[1022, 1196] GeVの質量を持つカラーフェルミオン（12個のボソン的自由度）か、[1062, 1178] GeVのディラックフェルミオン（4個のボソン的自由度）か、1146 GeVのメジャノナフェルミオン（2個のスカラー的自由度）が必要である。
• 2つの375 GeVフェルミオンからなる複合750 GeV共鳴状態の場合、最小解には、1つの追加のカラーレスフェルミオンと少なくとも5個のボソン的自由度、または1つの追加のカラーフェルミオンと少なくとも13個のボソン的自由度が必要である。
• 750 GeVのスピン2共鳴状態の場合、1つか2つの追加の質量のあるフェルミオンとより重いボソン多重項のみで有効な解は得られず、より複雑な新しい物理学の必要性が示唆された。
• 必要な新しいフェルミオンの質量は一般的に1000 GeV以上であり、それに応じるボソン的パートナーは、和則規則を満たすために特定の質量区間に制限される。
• 標準模型の場の有限部分の真空エネルギーは、ボソンのみを追加してもキャンセルできない。キャンセレーションを達成するには質量のあるフェルミオンが必要であり、これは以前の結果[5]と整合する。
• この分析は、観測された750 GeVの二光子過剰が実際のものであるならば、真空エネルギーの有限性によって強く制約を受ける新しい重い粒子が標準模型を超えて存在することを示唆している。