[논문 리뷰] Constraining Scalar Doublet and Triplet Leptoquarks with Vacuum Stability and Perturbativity

Priyotosh Bandyopadhyay, Shilpa Jangid외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 159인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 플랑크 스케일까지의 섭동 단위성과 진공 안정성에 기반해 스칼라 렙토쿠아크 모델—특히 이중체 eR2와 삼중체 S3—을 제약한다. 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 및 렙토쿠아크 양자수 상호작용의 이중 고차 다이어그램 베타 함수를 유도하여, 세 개의 세대를 가진 eR2 모델이 플랑크 스케일까지 섭동성과 진공 안정성을 유지하는 것으로 나타났고, S3 및 병합 모델은 더 강한 제약을 받으며, 각각의 양자수 상호작용 상수는 1.30, 3.90, 1.00 이하로 제한된다.

ABSTRACT

We investigate the constraints on the leptoquark Yukawa couplings and Higgs-leptoquark quartic couplings for scalar doublet leptoquark $ ilde{R}_2$, scalar triplet leptoquark $\vec S_3$ and their combination with both three generations and one generation from perturbative unitarity and vacuum stability. Perturbative unitarity of all the dimensionless couplings have been studied via one- and two-loop beta-functions. Introduction of new $SU(2)$ multiplets in terms of these leptoquarks fabricate Landau poles at two-loop level in the gauge coupling $g_2$ at $10^{19.7}$ GeV and $10^{14.4}$ GeV, respectively for $\vec S_3$ and $ ilde{R}_2+\vec S_3$ models with three generations. However, such Landau pole ceases to exist for $ ilde{R}_2$ and any of these extensions with both one and two generations till Planck scale. The Higgs-leptoquark quartic couplings acquire severe constraints to protect Planck scale perturbativity, whereas leptoquark Yukawa couplings get some upper bound in order to respect Planck scale stability of Higgs Vacuum. The Higgs quartic coupling at two-loop constraints the leptoquark Yukawa couplings for $ ilde{R}_2,\vec S_3, \, ilde{R}_2+\vec S_3$ with values $\lesssim 1.30, 3.90, 1.00$ with three generations. In the effective potential approach, the presence of any of these leptoquarks with any number of generations pushes the metastable vacuum of the Standard Model to the stable region.

연구 동기 및 목표

• 섭동 단위성과 진공 안정성을 사용하여 스칼라 렙토쿠아크(eR2 및 S3)의 양자수 상호작용 및 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 상수를 제약한다.
• 게이지 상수의 랜드 포일 분석을 통해 표준모형의 렙토쿠아크 확장 모델이 플랑크 스케일까지 타당한지 평가한다.
• 고에너지 스케일에서 힉스 진공 안정성과 섭동성을 유지하는 렙토쿠아크 양자수 상호작용 상수의 상한을 결정한다.
• 세 개의 세대와 한 개의 세대가 렙토쿠아크 모델의 안정성과 섭동성 제약에 미치는 영향을 평가한다.
• 레프토쿠아크를 포함함으로써 효과적 포텐셜 프레임워크에서 전자약력 진공이 안정화되는지 조사한다.

제안 방법

• 게이지 상수(g1, g2, g3)와 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 상수의 일차 및 이중 고차 다이어그램 베타 함수를 재규격화군 방정식을 사용하여 유도한다.
• 한 세대와 세 개의 세대를 가진 eR2, S3, eR2+S3 모델에서 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 상수(λ2, eλ2, λ3, eλ3)의 이중 고차 다이어그램 베타 함수를 적용한다.
• 레프토쿠아크 자기 상호작용 및 혼합 항목 기여를 포함한 효과적 포텐셜 접근법을 사용하여 진공 안정성을 평가한다.
• 플랑크 스케일까지 상호작용 상수가 유한하게 유지되도록 하여 섭동성 제약을 적용하고, 게이지 상수의 랜드 포일을 식별한다.
• 게이지 상수(g2, g3)의 스케일 변화를 수행하여 랜드 포일을 탐지하고, 섭동성이 붕괴되는 에너지 스케일을 평가한다.
• 톱 쿼크 양자수 상호작용의 에너지 스케일 변화와 렙토쿠아크 양자수 상호작용 상수의 진화를 전체 RGE 프레임워크에 통합하여 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑크 스케일에서의 섭동성과 진공 안정성을 유지하는 렙토쿠아크 양자수 상호작용 상수의 상한은 무엇인가?
• RQ2 세 개의 세대를 가진 eR2, S3, eR2+S3 모델에서 게이지 상수(g2, g3)에 랜드 포일이 나타나는 에너지 스케일은 어느 정도인가?
• RQ3 한 세대와 세 개의 세대를 포함함으로써 렙토쿠아크 상호작용 상수의 섭동성과 진공 안정성 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 레프토쿠아크를 포함함으로써 효과적 포텐셜 접근법에서 전자약력 진공이 어느 정도 안정화되는가?
• RQ5 렙토쿠아크의 자기 4차 상호작용 상수와 힉스 필드와의 혼합 항목이 모델의 안정성과 섭동성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세 개의 세대를 가진 eR2 모델의 경우, 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 상수는 플랑크 스케일까지 섭동성을 유지하며, 양자수 상호작용 상수는 약 1.30 이하로 제한된다.
• 세 개의 세대를 가진 S3 모델은 SU(2)L 게이지 상수 g2에서 10^14.4 GeV에서 랜드 포일을 보이며, 플랑크 스케일 이전에 섭동성이 상실됨을 나타낸다.
• 세 개의 세대를 가진 eR2 + S3 모델은 g2에서 10^19.7 GeV에서 랜드 포일을 보이며, eR2 모델 단독보다 더 높은 에너지 스케일에서의 불안정성을 시사한다.
• 한 세대와 두 세대의 경우, 플랑크 스케일까지 g2 또는 g3에서 랜드 포일이 나타나지 않아, eR2 및 eR2+S3 모델이 전체 에너지 범위에서 섭동성을 유지함을 나타낸다.
• 효과적 포텐셜 분석 결과, 어떤 세대 수이든 간에 렙토쿠아크 존재 시 메타안정한 표준모형 진공이 안정 영역으로 이동함을 보여준다.
• 힉스-렙토쿠아크 4차 상호작용 상수가 양자수 상호작용 상수에 가장 강한 제약을 가하며, 세 개의 세대를 가진 eR2, S3, eR2+S3 모델의 경우 각각 약 1.30, 3.90, 1.00 이하로 제한된다.