[논문 리뷰] Electroweak scale invariant models with small cosmological constant

R. Foot, Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 스케일 불변 모형을 제안하며, 고전적 스케일 불변성의 반사적 붕괴를 통해 위계 문제를 해결하고, 양자 보정을 통해 작은 우주론적 상수를 달성한다. 두 가지 현실적인 확장—중성자 질량을 위한 타입-II 시저 모형과 어둠의 물질을 위한 은신 세트—가 관측 결과와 완전히 일치함을 보이며, 질량 ≤10 GeV인 가벼운 편가속 보존(h)과 페르미온-보존 질량 관계를 예측한다. 이는 LHC에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We consider scale invariant models where the classical scale invariance is broken perturbatively by radiative corrections at the electroweak scale. These models offer an elegant and simple solution to the hierarchy problem. If we further require the cosmological constant to be small then such models are also highly predictive. Indeed, the minimal such model, comprising a Higgs doublet and a real singlet, has the same number of parameters as the standard model. Although this minimal model is disfavoured by recent LHC data, we show that two specific extensions incorporating neutrino masses and dark matter are fully realistic. That is, consistent with all experiments and observations. These models predict a light pseudo-Goldstone boson, $h$, with mass around 10 GeV or less. A fermionic-bosonic mass relation is also predicted. The specific models considered, as well as more generic scale invariant models, can be probed at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 전자약력 스케일이 차원 전환을 통해 반사적으로 발생하는 스케일 불변 모형을 구성함으로써 위계 문제를 해결한다.
• 물리적 제약 조건으로 작은 우주론적 상수를 도입하여, 매우 예측 가능한 모형을 이끌어낸다.
• 최소한의 스케일 불변 모형을 확장하여 중성자 질량과 어둠의 물질을 포함하면서도 모든 실험 데이터와 일치하도록 한다.
• 가벼운 편가속 보존과 페르미온-보존 질량 관계와 같은 구체적이고 검증 가능한 예측을 유도한다.
• 이러한 모형이 LHC에서 탐색 가능하고, 특히 가벼운 스칼라와 $Z'$ 보존의 발견을 통해 타당함을 보여준다.

제안 방법

• 전자약력 스케일이 반사적으로 발생하도록 보장하기 위해, 스칼라 포텐셜 $V_0(S_i) = \lambda_{ijkl} S_i S_j S_k S_l$ 를 갖는 고전적 스케일 불변성을 사용한다.
• 모듈러스 필드 $r$ 과의 분리를 위해 초구면 매개변수화 $S_i = r \cos\theta_i \prod \sin\theta_k$ 를 적용하고, 자발적 대칭 붕괴를 분석한다.
• 양자 보정을 포함한 효과적 포텐셜을 계산한다: $V = A r^4 + B r^4 \log(r^2/\mu^2) + C r^4 \log^2(r^2/\mu^2) + \cdots$, 여기서 $\mu = \langle r \rangle$.
• 작고 유한한 우주론적 상수를 달성하기 위해 $\mu = \langle r \rangle$ 에서 $B = 0$ 이고 $C > 0$ 이라는 조건을 강제한다.
• $U(1)'$ 게이지 대칭과 벡터형 페르미온, 복소 스칼라 $S$ 를 도입하여 어둠의 물질을 위한 은신 세트를 실현한다.
• $B=0$ 조건에서 페르미온-보존 질량 관계 $m_{Z'}^4 \approx 4m_t^4$ 를 유도하며, $m_{Z'} \approx 240$ GeV 를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일 불변성이 미세조정 없이 위계 문제에 자연스럽게 해결책을 제공할 수 있는가?
• RQ2 양자 보정을 통해 스케일 불변 모형에서 작은 우주론적 상수를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 최소한의 스케일 불변 모형(Higgs 이중체 + 싱เก일)의 최소한의 확장은 무엇이며, 중성자 질량과 어둠의 물질을 수용할 수 있는가?
• RQ4 작은 우주론적 상수를 가진 스케일 불변 모형에서 어떤 특정하고 검증 가능한 예측이 도출되는가?
• RQ5 작은 우주론적 상수 조건을 만족시키기 위해 $U(1)'$ 게이지 세트와 관련된 $Z'$ 보존 질량이 제약를 받을 수 있는가?

주요 결과

• Higgs 이중체와 실수 싱게일을 포함하는 최소한의 스케일 불변 모형은 표준 모형과 동일한 수의 매개변수를 가지며, 작은 우주론적 상수 제약 조건으로 인해 매우 예측 가능하다.
• 최소한의 이 모형은 최근 LHC 데이터로 인해 불리하게 평가되며, 중성자 질량과 어둠의 물질을 포함하기 위한 확장의 필요성을 시사한다.
• 삼중체 스칼라를 포함한 스케일 불변 타입-II 시저 모형은 비제로 중성자 질량을 성공적으로 생성하면서도 작은 우주론적 상수를 유지한다.
• $U(1)'$ 게이지 대칭과 벡터형 페르미온을 포함한 은신 세트는 임의의 $U(1)_1 \times U(1)_2$ 전역 대칭에 의해 안정화된 자연스러운 어둠의 물질 후보를 제공한다.
• $\mu = \langle r \rangle$ 에서 $B=0$ 조건은 정밀한 페르미온-보존 질량 관계를 이끌어내며: $m_{Z'}^4 \approx 4m_t^4$, $m_{Z'} \approx 240$ GeV 를 예측한다.
• 모형은 질량 $m_h \leq 10$ GeV 인 가벼운 편가속 보존 $h$ 를 예측하며, 이는 LHC 탐색의 특징적인 서명이다.