[논문 리뷰] Towards a Higgs mass determination in asymptotically safe gravity with a dark portal

Astrid Eichhorn, Martin Pauly외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 229인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 힉스 포탈을 통해 연결된 어둠의 스칼라 및 페르미온을 포함하는 표준모형의 장난감 모델을 제안하며, 양자 중력의 점근적 안정성과 함께 힉스 질량을 근본 원리로부터 예측한다. 점근적 안정성을 활용함으로써, 대칭 자동 깨짐에 의해 유도되는 어둠의 세kt르의 유일한 자유 매개변수는 고차원 혼합을 통해 힉스 질량을 크게 감소시키며, 이로 인해 이론적 예측이 관측된 125 GeV의 힉스 질량과 잘 맞아떨어진다.

ABSTRACT

There are indications that an asymptotically safe UV completion of the Standard Model with gravity could constrain the Higgs self-coupling, resulting in a prediction of the Higgs mass close to the vacuum stability bound in the Standard Model. The predicted value depends on the top quark mass and comes out somewhat higher than the experimental value if the current central value for the top quark mass is assumed. Beyond the Standard Model, the predicted value also depends on dark fields coupled through a Higgs portal. Here we study the Higgs self-coupling in a toy model of the Standard Model with quantum gravity that we extend by a dark scalar and fermion. Within the approximations used in arXiv:2005.03661 , there is a single free parameter in the asymptotically safe dark sector, as a function of which the predicted (toy model) Higgs mass can be lowered due to mixing effects if the dark sector undergoes spontaneous symmetry breaking.

연구 동기 및 목표

• 점근적 안정성 중력에서 UV 완비된 표준모형 확장 내에서 힉스 질량을 예측할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 힉스 포탈을 통해 연결된 어둠의 스칼라 및 페르미온 세kt르가 점근적 안정성 하에서 힉스 질량 예측에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 어둠의 세kt르에서의 대칭 자동 깨짐이 예측된 힉스 질량을 관측된 125 GeV 값에 맞추기 위해 상당한 정도로 낮추는 데 어떤 역할을 하는지 규명하기 위해.
• 모델이 동시에 타당한 암흑물질 후보를 제공하면서 천체물리적 제약 조건을 만족시키는지 평가하기 위해.
• 효과적 장 이론 대비, 점근적 안정성이 BSM 모델의 매개변수 공간을 얼마나 줄이는지 평가하기 위해.

제안 방법

• UV 고정점에서 IR로의 커플링의 RG 흐름을 연구하기 위해 기능적 유한성 군(FRG) 접근법을 사용한다.
• 실수 스칼라(힉스), 페르미온(톱 쿼크 유사체), 어둠의 스칼라, 어둠의 페르미온으로 구성된 장난감 모델을 도입하며, 모두 힉스 포탈 및 요카다 상호작용을 통해 연결된다.
• 모든 베타 함수가 UV 고정점에서 0이 되도록 함으로써 점근적 안정성을 도입하여 어둠의 세kt르를 유일한 자유 매개변수로 축소한다.
• 어둠의 세kt르의 영향을 분리하기 위해 고정된 요카다 상수를 유지하면서 어둠의 세kt르의 영향을 분석하기 위해 고정된 요카다 스캔을 수행한다.
• 보이는 스칼라와 어둠의 스칼라 사이의 고차원 혼합이 물리적 힉스 질량에 미치는 영향을 분석하며, 특히 어둠의 스칼라가 대칭 자동 깨짐을 겪을 경우의 영향을 중점적으로 다룬다.
• 빅뱅 핵합성(BBN)에서의 상대론적 자유도 제약과 암흑물질 잔류 밀도를 포함한 천체물리적 제약 조건을 평가하여 모델의 타당성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점근적 안정성 중력에서, 어둠의 포탈을 가진 UV 완비 표준모형에서 힉스 질량을 예측할 수 있는가?
• RQ2 힉스 포탈로 연결된 어둠의 스칼라 및 페르미온 세kt르의 포함이 점근적 안정성 하에서 예측된 힉스 질량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 어둠의 세kt르에서의 대칭 자동 깨짐이 힉스 질량 예측을 어떻게 수정하는가?
• RQ4 모델이 동시에 125 GeV의 힉스 질량을 예측하고 타당한 암흑물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ5 점근적 안정성이 효과적 장 이론 접근법 대비 BSM 모델의 매개변수 공간을 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 중앙값 톱 쿼크 질량을 사용할 경우, 점근적 안정성을 가진 순수 표준모형에서 예측된 힉스 질량은 관측된 125 GeV를 초과한다.
• 어둠의 스칼라 세kt르에서의 대칭 자동 깨짐은 힉스와의 고차원 혼합을 유도하며, 이는 예측된 힉스 질량을 관측된 값에 맞추기 위해 감소시킬 수 있다.
• 어둠의 세kt르에서 대칭 자동 깨짐이 없을 경우, 힉스 질량에 대한 영향은 무시할 만큼 작으며, 이는 SSB가 큰 효과를 유도하기 위해 필수적임을 시사한다.
• 점근적 안정성에 의해 유도된 어둠의 세kt르의 유일한 자유 매개변수는 관측된 125 GeV의 힉스 질량을 재현하기 위해 조정될 수 있다.
• 어둠의 페르미온은 어둠의 스칼라의 대칭 자동 깨짐 이후 질량을 얻으며, 안정하고 유한한 잔류 밀도를 가지는 암흑물질 후보가 되며, BBN 제약 조건과 일치한다.
• 모델은 천체물리적 제약 조건을 만족한다: 어둠의 스칼라는 불안정하며(잔류 밀도 0), 어둠의 페르미온의 상대론적 자유도는 우주의 과도한 닫힘을 일으키지 않는다.