[논문 리뷰] Stability and UV completion of the Standard Model

Vincenzo Branchina, Emanuele Messina|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전기약력 진공 안정성에 영향을 미치는지 테스트하기 위해 무거운 스칼라 및 페르미온 장을 도입한 표준모형의 재규격화 가능한 UV 완성 버전을 제시한다. 일반적으로 가정되는 분리 행동과는 달리, 이러한 고에너지 스케일의 새로운 물리가 불안정성 스케일을 크게 낮추고 진공 수명을 감소시켜, 고에너지 물리가 안정성 분석에 영향을 미친다는 개념을 무효화한다.

ABSTRACT

The knowledge of the stability condition of the electroweak (EW) vacuum is of the greatest importance for our understanding of beyond Standard Model (BSM) physics. It is widely believed that new physics that lives at very high energy scales should have no impact on the stability analysis. This expectation has been recently challenged, but the results were controversial as new physics was given in terms of non-renormalizable higher order operators. Here we consider for the first time a renormalizable (toy) UV completion of the SM, and definitely show that such a decoupling does not take place. This result has important phenomenological consequences, providing a very useful test for BSM theories. In particular, it shows that speculations based on the so called "criticality" do not appear to be well founded.

연구 동기 및 목표

• 불안정성 스케일(ϕ_inst ~ 10^11 GeV)보다 훨씬 높은 에너지 스케일에서의 새로운 물리가 전기약력 진공 안정성에 영향을 미치는지 테스트하기.
• 고에너지 새로운 물리가 분리되어 진공 안정성 계산에 영향을 주지 않는다는 널리 퍼진 가정을 도전하기.
• 비재규격화 가능한 고차원 연산자에 기반한 이전 분석의 재규격화 가능한 대안을 제공하기.
• 허스 및 토프 질량 측정치를 바탕으로 봉우리 물리 이론의 타당성을 진공 안정성에 미치는 영향을 평가하기.
• 측정된 허스 및 토프 질량이 안정성 선에 가까운 것이 물리적으로 의미 있는지, 또는 완전하지 않은 UV 물리로 인한 산물인지 명확히 하기.

제안 방법

• ϕ_inst ~ 10^11 GeV보다 훨씬 큰 질량 MS와 Mf를 가진 새로운 스칼라 장 S와 새로운 페르미온 장 ψ를 도입하여 표준모형의 재규격화 가능한 UV 완성 구축하기.
• 재규격화 가능한 상호작용 포함: S의 4차 상호작용, Higgs-S 상호작용(2gS(Φ†Φ)S²), ψ의 디랙 질량 항, 그리고 Φ와 ψ 사이의 요카와 상호작용(g_f).
• S와 ψ가 허스 4차 상호작용 및 질량에 미치는 영향을 포함한 1-루프 보정을 사용하여 이러한 새로운 장이 존재하는 조건에서의 효과적 허스 포텐셜 계산하기.
• 코흐라인-델루차 인스탄턴 방법을 사용하여 진공 붕괴율 τ를 계산하고, 불안정성 스케일 ϕ_inst는 V(ϕ_inst) = V(v)로 정의하기.
• UV 완성 모델의 안정성 단계도(M_H vs. M_t)를 원래 SM과 비교하여 불안정성 선과 안정성 선의 이동 추적하기.
• 진공 안정성에 대한 UV 물리 매개변수의 민감도를 평가하기 위해 두 개의 벤치마크 파라미터 세트에 대한 수치 분석 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ϕ_inst ~ 10^11 GeV보다 훨씬 높은 에너지 스케일에서의 새로운 물리가 전기약력 진공 안정성 분석에서 분리되는가?
• RQ2 완전히 재규격화 가능한 SM의 UV 완성은 단지 SM 상호작용만을 가진 표준모형과 비교해 안정성 단계도를 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 무거운 스칼라 및 페르미온 장의 존재가 M_H–M_t 평면에서 불안정성 선과 안정성 선을 어느 정도 이동시키는가?
• RQ4 측정된 허스 및 토프 질량이 안정성 선에 가까운 것이 진공 안정성의 신뢰할 만한 지표인지, 아니면 누락된 UV 물리로 인한 산물인지?
• RQ5 새로운 입자가 ϕ_inst보다 훨씬 높은 에너지 스케일에 있더라도, 고에너지 스케일의 새로운 물리가 진공 수명 τ를 상당히 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• UV 완성 모델에서 불안정성 스케일 ϕ_inst는 SM과 비교해 상당히 낮아져, 진공이 낮은 장 값에서 불안정해지는 것으로 나타났다.
• MS = 1.2 × 10^18 GeV 및 Mf = 2.4 × 10^15 GeV인 벤치마크 파라미터 세트에서 진공 붕괴 시간 τ는 SM의 τ ~ 10^600 T_U에 비해 약 ~10^180 T_U로 크게 감소하였다.
• 실험적 점(MH ≈ 125.09 GeV, Mt ≈ 173.34 GeV)은 특정 파라미터 조건에서는 불안정 영역 내에 위치하여, 이 모델은 타당하지 않은 UV 완성으로 간주된다.
• M_H–M_t 평면에서 안정성 선과 불안정성 선은 UV 완성으로 인해 하향 이동하여, SM만으로 예측한 것보다 진공이 더 불안정한 것으로 나타났다.
• 고에너지 스케일의 새로운 물리의 존재는 진공 안정성 조건을 근본적으로 변화시킬 수 있으며, 이는 ϕ_inst보다 훨씬 큰 스케일에서의 분리 가정을 무효화한다.
• 실험적 점이 안정성 선 근처에 있다는 '비판적 상태'에 기반한 추측은 정당하지 않으며, 이 근접성은 SM에서 고려하지 않은 UV 물리에 매우 민감하기 때문이다.