[논문 리뷰] Naturalizing Gravity of the Quantum Fields, and the Hierarchy Problem

D. Demir|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM)에 중력을 통합하기 위해 곡면 시공간에서의 SM 유효행동을 재구성함으로써 중력의 영향를 포함하는 새로운 메커니즘—'중력화(gravitization)'—를 제안한다. 이는 고에너지 근처의 자극 스케일 Λ를 시공간 곡률의 대리자로 사용한다. 이 접근법은 이중적인 힉스 질량 보정을 힉스-곡률 결합으로 전환함으로써 위계 문제를 자연스럽게 해결하며, 우주상수 문제를 중력 상수의 생성 문제로 전환시킨다. 이 모든 과정에서 LHC에서 새로운 입자를 요구하지 않는다.

ABSTRACT

It is shown that gravity can be incorporated into the Standard Model (SM) in a way solving the hierarchy problem. For this, the SM effective action in flat spacetime is adapted to curved spacetime via not only the general covariance but also the gauge invariance. For the latter, gauge field hard masses, induced by loops at the UV scale $Λ$, are dispelled by construing $Λ$ as the constant value assigned to curvature. This gives way to an unprecedented mechanism for incorporating gravity into the SM in that the hierarchy problem is solved by transmutation of the Higgs boson $Λ^2$--mass into the Higgs-curvature coupling, and the cosmological constant problem is alleviated by metamorphosis of the vacuum $Λ^4$--energy into the Einstein-Hilbert term. Gravity emerges correctly if the SM is accompanied by a secluded dark sector sourcing non-interacting dark matter, dark energy and dark radiation. Physics beyond the SM, containing Higgs-phobic scalars that resolve the strong CP problem, flavor problem, baryogenesis and inflation, respects the hierarchy. Majorana neutrinos are naturally incorporated if $Λ$ lies at the see-saw scale. This mechanism, in general, leaves no compelling reason to anticipate new particles at the LHC or higher-energy colliders.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)의 위계 문제를 테바 스케일의 새로운 물리학에 의존하지 않고 해결하기 위해.
• 중력이 표준모형에 자연스럽게 통합되어 힉스 질량이 이중적인 양자 보정에 대해 안정화되도록 하기 위해.
• 진공 에너지 기여를 중력 상수 기여로 재해석함으로써 우주상수 문제를 해결하기 위해.
• 비밀스러운 어둠의 세트를 통해 표준모형의 고에너지 근처 스케일 Λ에서 플랑크 스케일이 유도됨을 보여주어 정밀조정을 피하기 위해.
• 강한 CP 문제, 풍미 구조, 비대칭성 생성, 중성자 질량 등 표준모형을 초월한 물리학이 레이저 충돌기에서 상호작용하는 새로운 입자가 필요 없이 자연스럽게 통합될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 표준모형 유효행동을 평탄한 시공간에서 곡면 시공간으로 재구성함으로써 고에너지 근처 스케일 Λ를 리치 곡률 R과 동일시함으로써 양자 보정의 기하학적 해석을 가능하게 한다.
• 경계 조건을 유지하기 위해 하드한 게이지 보손 질량(Λ에서 유도됨)을 곡률 의존 항으로 대체함으로써 고에너지 근처 감도를 제거한다.
• 힉스 보손의 이중적인 질량 발산을 비최소 곡률 결합 ζ_H H†H R로 재해석함으로써 힉스 질량을 안정화시킨다.
• 비밀스러운 어둠의 세트를 통해 표준모형의 고에너지 근처 스케일 Λ에서 아인슈타인-힐베르트 항과 플랑크 스케일 M_Pl를 생성함으로써 M_Pl ∝ Λ임을 보장한다.
• 어둠의 물질, 어둠의 에너지, 어둠의 복사의 기원이 되는 비밀스러운 새로운 물리학(NP) 세트를 도입하며, 루프 인자 ζ ∼ 10⁻²를 통해 표준모형과 약하게 결합한다.
• 강한 CP, 비대칭성 생성, 중성자 질량 등 블랙스케일 물리학을 힉스를 피하거나 좋아하는 스칼라를 사용하여 모델링함으로써, 반사적 안정성과 기술적 자연스러움을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 보정을 기하학적으로 재해석함으로써 새로운 테바 스케일 입자가 없이도 위계 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 힉스와 강하게 결합하는 새로운 필드를 도입하지 않고도 중력을 표준모형에 자연스럽게 통합할 수 있는가?
• RQ3 진공 에너지 기여를 우주상수에서 중력 항으로 이동시킴으로써 우주상수 문제를 완화시킬 수 있는가?
• RQ4 비밀스러운 어둠의 세트가 표준모형의 고에너지 근처 스케일 Λ에서 플랑크 스케일을 어떻게 생성하는가?
• RQ5 표준모형을 초월한 물리학—예를 들어 중성자 질량이나 비대칭성 생성—이 이 틀 안에서 어떻게 자연스럽게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 이중적인 힉스 질량 보정이 비최소 곡률 결합 ζ_H H†H R로 전환됨으로써 위계 문제가 해결되며, 이는 힉스 질량이 고에너지 근처 발산에 대해 안정화됨을 의미한다.
• 우주상수 문제는 고에너지 근처에서 해결되며, 4차 진공 에너지 기여가 우주상수가 아니라 중력 상수로 유도된다.
• 플랑크 스케일 M_Pl는 비밀스러운 NP 세트를 통해 표준모형의 고에너지 근처 스케일 Λ에서 유도되며, M_Pl ∝ c_Pl Λ로 표현되며, 여기서 c_Pl은 어둠의 세트에 의해 결정된다.
• 표준모형의 고에너지 경계는 자연스럽게 중력 스케일에 위치하며, LHC나 고에너지 충돌기에서 새로운 입자를 예측하지 않는다.
• Λ를 세이와 스케일로 설정할 경우 메이조나 중성자 질량은 자연스럽게 통합되며, 고에너지 근처 스케일은 오른쪽 히르스 중성자 질량에 의해 결정된다.
• 강한 CP 문제, 풍미, 비대칭성 생성, 인플레이션 등 모든 블랙스케일 물리학은 약하고 반사적으로 안정된 결합을 가진 힉스를 피하거나 좋아하는 스칼라를 통해 실현될 수 있으며, 이는 작은 위계 문제를 피한다.