[논문 리뷰] Electroweak vacuum stability in classically conformal B-L extension of the Standard Model

Arindam Das, Nobuchika Okada외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 고전적 등각 대칭성을 갖는 U(1)B-L 확장에서 전약 진공 안정성 문제를 다룬다. 여기서 질량 스케일은 Coleman-Weinberg 메커니즘을 통해 유도된다. 이중 고차에서, LHC에서의 Z′ 보손에 대한 제약 조건을 만족하면서도 미세조정을 피할 수 있는 매개변수 영역을 규명하였다.

ABSTRACT

We consider the minimal U(1)$_{B-L}$ extension of the Standard Model (SM) with the classically conformal invariance, where an anomaly free U(1)$_{B-L}$ gauge symmetry is introduced along with three generations of right-handed neutrinos and a U(1)$_{B-L}$ Higgs field. Because of the classically conformal symmetry, all dimensional parameters are forbidden. The $B-L$ gauge symmetry is radiatively broken through the Coleman-Weinberg mechanism, generating the mass for the $U(1)_{B-L}$ gauge boson ($Z^\prime$ boson) and the right-handed neutrinos. Through a small negative coupling between the SM Higgs doublet and the $B-L$ Higgs field, the negative mass term for the SM Higgs doublet is generated and the electroweak symmetry is broken. In this model context, we investigate the electroweak vacuum instability problem in the SM. It is known that in the classically conformal U(1)$_{B-L}$ extension of the SM, the electroweak vacuum remains unstable in the renormalization group analysis at the one-loop level. In this paper, we extend the analysis to the two-loop level, and perform parameter scans. We identify a parameter region which not only solve the vacuum instability problem, but also satisfy the recent ATLAS and CMS bounds from search for $Z^\prime$ boson resonance at the LHC Run-2. Considering self-energy corrections to the SM Higgs doublet through the right-handed neutrinos and the $Z^\prime$ boson, we derive the naturalness bound on the model parameters to realize the electroweak scale without fine-tunings.

연구 동기 및 목표

• 고전적 등각 대칭성을 갖는 U(1)B-L 확장된 표준모형에서 전약 진공 불안정성 문제를 다루는 것.
• 이전의 일차 순서 임계군 분석을 두 번째 순서로 확장하여 진공 안정성 평가의 정확도를 향상시키는 것.
• 동시에 전약 진공을 안정화하고, ATLAS 및 CMS LHC 런-2에서의 Z′ 보손 공진에 대한 제약 조건을 만족하며, 미세조정을 피할 수 있는 매개변수 영역을 규명하는 것.
• 오른쪽 수성 중성자와 Z′ 보손의 자기에너지 보정을 평가하여 모델 매개변수에 대한 자연성 한계를 유도하는 것.

제안 방법

• B-L 확장 모델의 4차 상호작용 계수와 게이지 계수에 대해 이중 고차 임계군 방정식(RGEs)을 적용하는 것.
• Coleman-Weinberg 메커니즘을 포함하여 U(1)B-L 게이지 대칭을 양자적으로 깨뜨리고, Z′ 보손과 오른쪽 수성 중성자의 질량을 생성하는 것.
• 표준모형 힉스 두중자와 B-L 힉스 필드 사이의 작은 음의 상호작용 계수를 도입하여 표준모형 힉스의 음의 질량 제곱 항을 생성함으로써 전약 대칭 깨짐을 유도하는 것.
• 모델의 상호작용 계수와 질량 매개변수에 대한 광범위한 매개변수 스캔을 수행하여 타당한 영역을 규명하는 것.
• LHC에서 ATLAS 및 CMS의 Z′ 보손 공진에 대한 제약 조건을 적용하여 물리적으로 불가능한 매개변수 영역을 배제하는 것.
• 오른쪽 수성 중성자와 Z′ 보손의 양자 보정을 분석하여 표준모형 힉스 자기에너지에 미치는 영향을 평가함으로써 자연성 한계를 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 번째 순서 분석에서 고전적 등각 대칭성을 갖는 U(1)B-L 확장된 표준모형에서 전약 진공이 안정하게 유지될 수 있는가?
• RQ2 B-L 모델에서 Z′ 보손 공진에 대한 LHC 제약 조건과 진공 안정성을 동시에 만족하는 매개변수 영역은 어디인가?
• RQ3 이중 고차 보정은 힉스 4차 상호작용 계수의 달라짐과 전약 진공 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전자약 스케일을 실현하는 데 있어 미세조정을 피하기 위해 필요한 모델 매개변수에 대한 자연성 한계는 무엇인가?
• RQ5 오른쪽 수성 중성자와 Z′ 보손의 포함 여부가 힉스 자기에너지와 진공 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중 고차에서 전약 진공이 안정된다는 타당한 매개변수 영역이 존재하며, 이는 일차 순서 분석에서 나타나는 불안정성 문제를 해결한다.
• 모델은 LHC 런-2에서 ATLAS 및 CMS가 제시한 Z′ 보손 공진에 대한 최신 제약 조건을 만족하며, 큰 상호작용 계수나 낮은 Z′ 질량을 갖는 영역는 배제된다.
• 이중 고차 보정이 진공 안정성의 전반적인 그림을 크게 변화시켜, 일차 순서 분석에서 실패했던 영역에서도 안정성을 달성할 수 있도록 한다.
• 오른쪽 수성 중성자와 Z′ 보손의 자기에너지 보정에서 유도된 자연성 한계는 오른쪽 수성 중성자와 Z′ 보손의 질량이 약 10 TeV 이하일 것을 요구하며, 이는 미세조정을 피하는 데 기여한다.
• 표준모형 힉스의 음의 질량 항은 B-L 힉스 필드와의 작은 상호작용을 통해 생성되며, 이는 자체적으로 Coleman-Weinberg 메커니즘을 통해 양자적으로 생성된다.
• 모델은 UV 절단에 대한 로그 감쇠 민감도를 보이며, 고전적 등각 대칭성과 일치하며, 힉스 질량에 대한 제곱 발산을 피한다.