[論文レビュー] Will the LHC Look into the Fate of the Universe?

Steven Abel, John Ellis+2 more|ArXiv.org|Jul 16, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、宇宙が将来の長時間スケールで崩壊する可能性がある準安定な真空状態にあるかどうかを調査している。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を用いて、ヒッグス粒子の質量と超対称性粒子の性質を調べることで、真空が安定か長寿命であるかを特定し、宇宙の最終的運命を予測することを目的としている。

ABSTRACT

The LHC will probe the nature of the vacuum that determines the properties of particles and the forces between them. Of particular importance is the fact that our current theories allow the Universe to be trapped in a metastable vacuum, which may decay in the distant future, changing the nature of matter. This could be the case in the Standard Model if the LHC finds the Higgs boson to be light. Supersymmetry is one favoured extension of the Standard Model which one might invoke to try to avoid such instability. However, many supersymmetric models are also condemned to vacuum decay for different reasons. The LHC will be able to distinguish between different supersymmetric models, thereby testing the stability of the vacuum, and foretelling the fate of the Universe.

研究の動機と目的

• 宇宙の真空が、宇宙論的時間スケールでより低いエネルギー状態に崩壊する可能性がある準安定状態にあるかどうかを評価すること。
• 標準模型内での真空安定性を決定づけるヒッグス粒子質量の役割を評価すること。
• しばしば安定化剤として提案される超対称性が、多くのモデルにおいて真空崩壊を引き起こす可能性があるかどうかを調査すること。
• 直接的な粒子発見と精度測定を通じて、LHCが異なる真空安定性シナリオを区別できるかどうかを特定すること。
• 高エネルギー物理学実験が、真空力学を通じて宇宙の最終的運命に関する知見をどのように提供できるかを探索すること。

提案手法

• ヒッグス場の有効ポテンシャルを分析し、その質量と結合定数に基づいて準安定性を評価すること。
• インスタントン効果を含む量子場理論的手法を適用し、量子トンネル効果による真空崩壊をモデル化すること。
• 特に、小規模なゲージノ質量を生成するためのR対称性の破れメカニズム、特にISS（非可視対称性-分割）フレームワークを研究すること。
• ネルソン＝セイバーグの定理を用いて、明示的および自発的R対称性の破れが、同時に存在しつつも準安定性を保つ方法を説明すること。
• 重力媒介およびゲージ媒介超対称性の破れモデルを評価し、それらの真空安定性と宇宙定数への寄与を検討すること。
• 理論的素粒子物理学と宇宙論的考察を統合し、初期の高温宇宙が準安定な真空状態に閉じ込められていたメカニズムをモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、ヒッグス粒子質量の測定に基づいて、標準模型の真空が準安定であるかどうかを特定できるか？
• RQ2 超対称性は、標準模型の拡張候補として、真空を安定化させるのか、それとも逆に崩壊を引き起こすのか？
• RQ3 R対称性の破れ効果とゲージノ質量は、超対称モデルにおける真空の準安定性にどのような役割を果たすか？
• RQ4 量子補正とインスタントン効果は、軽いヒッグス粒子を伴うモデルにおける準安定真空の寿命にどのように影響するか？
• RQ5 LHCは、スーパーパartnerの発見と質量測定を通じて、準安定真空のシグナルを検出できるか？

主な発見

• LHCはヒッグス粒子質量の測定により、宇宙が準安定な真空状態にあるかどうかを特定できる。ヒッグス粒子が~130 GeV未満の軽さである場合、標準模型内では不安定性を示唆する。
• 超対称性が必ずしも真空を安定化させるわけではない。ゲージ媒介破れを伴う多くの超対称モデルにおいても、ゲージノとR軸子質量が非ゼロであるため、真空崩壊に陥る。
• ISSモデルは、R対称性の破れを通じて自然に小さなゲージノ質量を生成するメカニズムを提供し、微調整を必要とせず、長寿命な準安定真空を実現する。
• 明示的R破れを伴うモデルでは、R破れパラメータεの小ささがインスタントン効果によって自然に保護され、e^{-8π²/g²} ≪ 1に比例するため、準安定性が保証される。
• グローバルな超対称性の破れでは、宇宙定数問題は未解決のままだが、超重力の拡張により大きな真空エネルギーを相殺でき、準安定性の結論を維持できる。
• LHCは100 GeV以上の質量を持つゲージノを発見する可能性を有し、ゲージ媒介超対称性破れモデルにおける準安定真空シナリオの直接的検証を可能にする。