[논문 리뷰] The Hierarchy Problem: From the Fundamentals to the Frontiers

Seth Koren|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 266인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 LHC의 null 결과를 바탕으로 입자물리학의 계층 문제를 종합적으로 재검토하며, 이를 '로어치 문제(Loerarchy Problem)'로 재정의한다. 중력에 의한 EFT의 붕괴가 LHC에서 관측된 자연성 위반을 설명할 수 있음을 제안하며, 새로운 물리학 없이도 IR 스케일 보정을 생성할 수 있는 보조장과 운동량에 의존하는 상호작용을 사용하는 새로운 효과적 양자장이론 기법을 도입한다.

ABSTRACT

We begin this thesis with an extensive pedagogical introduction aimed at clarifying the foundations of the hierarchy problem. After introducing effective field theory, we discuss renormalization at length from a variety of perspectives. We focus on conceptual understanding and connections between approaches, while providing a plethora of examples for clarity. With that background we can then clearly understand the hierarchy problem, which is reviewed primarily by introducing and refuting common misconceptions thereof. We next discuss some of the beautiful classic frameworks to approach the issue. However, we argue that the LHC data have qualitatively modified the issue into `The Loerarchy Problem'---how to generate an IR scale without accompanying visible structure---and we discuss recent work on this approach. In the second half, we present some of our own work in these directions, beginning with explorations of how the Neutral Naturalness approach motivates novel signatures of electroweak naturalness at a variety of physics frontiers. Finally, we propose a New Trail for Naturalness and suggest that the physical breakdown of EFT, which gravity demands, may be responsible for the violation of our EFT expectations at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 효과적 양자장이론과 재규격화에 대한 교육적 소개를 통해 계층 문제의 기초 개념을 명확히 하기.
• LHC 데이터를 바탕으로 계층 문제를 재구성하여, TeV 스케일에서 새로운 물리학의 부재가 이를 '로어치 문제'로 전환시켰음을 주장하기.
• 새로운 물리학을 명백히 도입하지 않고도 효과적 양자장이론에서 IR 스케일 보정을 생성하는 새로운 방법을 개발하기.
• 중력에 의해 요구되는 EFT의 물리적 붕괴가 LHC에서 관측된 자연성 위반을 설명할 수 있을 것임을 제안하기.

제안 방법

• 미분 연산자를 갖는 보조장을 사용하여 두점 및 세점 함수에서 운동량에 의존하는 보정을 생성한다.
• 비선형 미분 연산자(예: f(Φ(φ)))를 갖는 라그랑지안 항을 도입하여 효과적 상호작용의 운동량 의존성을 제어한다.
• 스칼라 및 페르미온 장에 모두 적용하여 보정에서 올바른 로렌츠 구조와 게이지 불변성을 유지한다.
• 보조장을 통합하여 원하는 운동량에 의존하는 상호작용을 갖는 효과적 라그랑지안을 유도한다.
• 동일한 보조장 구조가 두점 및 세점 함수를 모두 독립적인 운동량 의존성으로 동시에 보정할 수 있음을 보여준다.
• 고에너지 스케일에서 EFT가 더 이상 전체 이론을 기술하지 못하는 데에는 중력 효과가 기여할 수 있으며, 이는 관측된 자연성 위반의 근본 원인일 수 있음을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 TeV 스케일에서 새로운 물리학을 도입하지 않고도 효과적 양자장이론에서 IR 스케일 보정을 생성할 수 있는가?
• RQ2 운동량에 의존하는 상호작용을 갖는 보조장의 개념적 및 기술적 역할은 효과적 양자장이론의 진폭을 어떻게 수정하는가?
• RQ3 왜 LHC의 null 결과로 인해 계층 문제가 '로어치 문제'로 전환되었는가?
• RQ4 보조장에서 유도된 운동량에 의존하는 효과적 상호작용이 새로운 공명 없이 힉스 보존 질량에 필요한 보정을 재현할 수 있는가?
• RQ5 고에너지에서 EFT의 붕괴, 특히 중력에 의해 유도되는 붕괴가 관측된 자연성 위반의 원인일 수 있는가?

주요 결과

• 보조장을 통합하여 운동량에 의존하는 보정을 갖는 효과적 라그랑지안을 유도함으로써, 두점 및 세점 함수에서 IR 수렴 문제를 제어할 수 있다.
• 상호작용 항에 f(Φ(φ))와 같은 비선형 미분 연산자를 도입함으로써, 두점 및 세점 함수 보정의 독립적인 운동량 의존성을 제어할 수 있다.
• 페르미온의 경우 로렌츠 구조를 정확히 다루는 것이 필요하며, 이 방법은 보조장 상호작용을 통해 올바른 텐서 구조를 유지한다.
• 비대칭 보조장 보간을 사용하여 두점 및 세점 함수를 동시에 보정할 수 있으며, 각각 다른 운동량 의존성을 갖는다.
• 중력 효과로 인해 고에너지 스케일에서 EFT 프레임워크 자체가 붕괴할 경우, LHC에서 새로운 물리학의 부재가 자연성과 모순되지 않을 수 있음을 제안한다.
• 중력에 의해 암시되는 EFT의 물리적 붕괴가 LHC에서 자연성 기대가 실패하는 이유를 설명할 수 있는 새로운 자연성의 길을 제안한다.