[논문 리뷰] Vacuum energy, Standard Model physics and the $750\; m{GeV}$ Diphoton Excess at the LHC

Alexander Yu. Kamenshchik, Alexei A. Starobinsky외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 관측된 가설적 750 GeV 이중광자 공진자가 양자장론의 한계에서 일계 순환 진공에너지 기여의 상쇄를 요구함으로써 유한하고 무시할 만큼 작은 우주상수와 일관될 수 있는지 조사한다. 양자장론에서 유도된 합규칙을 사용하여, 이러한 상쇄는 추가적인 최소한의 입자 구성—특히 질량이 있는 새로운 페르미온과 보존—이 필요하다고 보여주며, 이들의 질량과 자유도는 진공에너지의 유한성을 만족시키기 위해 제약을 받는다. 이는 공진자가 스칼라, 복합 페르미온-반페르미온 상태, 또는 스핀-2 입자인가에 따라 달라진다.

ABSTRACT

The conditions for the cancellation of one loop contributions to vacuum energy (both U.V. divergent and finite) coming from the known (Standard Model) fields and the field associated with the hypothetical 750 Gev diphoton excess are examined. Depending on the nature of this latter resonance we find that in order to satisfy the constraints (sum rules) different additional, minimal field contributions are required, leading to yet to be observed particles.

연구 동기 및 목표

• 750 GeV 이중광자 과잉 현상이 일계 순환 진공에너지 기여의 상쇄를 요구함으로써 유한하고 무시할 만큼 작은 우주상수와 일관될 수 있는지 규명하기 위해.
• 양자장론의 일계 순환 차수에서 진공에너지 상쇄를 위한 합규칙을 유도하고, 표준모형 및 가설적인 새로운 입자에 적용하기 위해.
• 진공에너지 기여를 상쇄시킬 수 있는 최소한의 일관된 입자 구성(보존과 페르미온)을 규명하여 관측된 입자 질량과 대칭성과의 호환성을 확보하기 위해.
• 750 GeV 공진자의 성격—스칼라, 복합 페르미온 쌍, 또는 스핀-2 입자—가 요구되는 새로운 물리학 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는지 탐색하기 위해.
• 초대칭이 깨졌을 때도 핵심 상쇄 관계를 유지하는 조건 하에서, 효과적 장론 이론과 중력 연관 양자장론의 프레임워크 내에서 이러한 새로운 입자의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 민코프스키 공간와 데 시터 공간에서 질량이 있는 스칼라, 페르미온, 스핀-2 장에 대해 일계 순환 진공에너지 합규칙을 유도하며, 고에너지 발산과 유한 부분의 상쇄를 요구한다.
• 이전 연구 [4,5]에서 유도된 합규칙을 가설적 750 GeV 공진자에 적용하여, 그 질량을 효과적 작용에서 물리적이고 재정규화된 질량으로 간주한다.
• 공진자와 모든 새로운 장의 총 진공에너지 기여가 0이거나 무시할 수 있을 정도로 작아야 한다는 조건을 도입하여, 입자 질량과 자유도 간의 관계를 나타내는 방정식을 유도한다.
• 다양한 공진자 가정(스칼라, 복합 페르미온-반페르미온 상태, 스핀-2 입자)에 대해 유도된 방정식 시스템을 해결한다.
• 발산을 다루고 중력과 호환되는 유한한 진공에너지를 확보하기 위해 폴리-빌라르 정규화 및 재정규화 프레임워크를 사용한다.
• 표준모형의 최소한의 확장을 통해 새로운 질량이 있는 장(페르미온과 보존)을 추가하며, 이들의 양자수와 질량이 합규칙을 만족하도록 제약을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 이중광자 공진자가 진공에너지가 유한하고 무시할 만큼 작은 양자장론 프레임워크에 일관되게 포함될 수 있는가?
• RQ2 750 GeV 공진자의 진공에너지 기여를 상쇄시키기 위해 필요한 최소한의 새로운 입자(보존과 페르미온)는 무엇인가?
• RQ3 요구되는 새로운 입자의 질량과 자유도는 750 GeV 공진자의 스핀과 복합성에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 단지 한두 개의 추가적인 질량이 있는 페르미온만으로도 진공에너지 상쇄를 달성할 수 있는가, 아니면 더 많은 장이 필요한가?
• RQ5 초대칭이 깨졌을 때, 750 GeV 상태의 진공에너지 상쇄 가능성은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 750 GeV 공진자가 스칼라일 경우, 최소한의 입자 구성은 [1022, 1196] GeV 범위의 색이 있는 쿼크(12개의 보존 자유도) 또는 [1062, 1178] GeV 범위의 디라크 페르미온(4개의 보존 자유도) 또는 1146 GeV에 위치한 메조나나 페르미온(2개의 스칼라 자유도)이 필요하다.
• 두 개의 375 GeV 페르미온으로 이루어진 복합 750 GeV 공진자일 경우, 최소한의 해결책은 추가로 한 개의 색이 없는 페르미온과 최소 5개의 보존 자유도, 또는 추가로 한 개의 색이 있는 쿼르크와 최소 13개의 보존 자유도를 요구한다.
• 750 GeV에서 스핀-2 공진자가 존재할 경우, 단지 한두 개의 추가적인 질량이 있는 페르미온과 더 무거운 보존 다중체만으로는 타당한 해결책을 찾을 수 없었으며, 더 복잡한 새로운 물리학이 필요하다는 것을 시사한다.
• 요구되는 새로운 페르미온의 질량는 일반적으로 1000 GeV 이상이며, 이에 해당하는 보존 쌍무는 합규칙을 만족시키기 위해 특정 질량 간격으로 제약을 받는다.
• 표준모형 장의 진공에너지의 유한 부분은 오직 보존만 추가하는 것으로는 상쇄될 수 없으며, 유한한 상쇄를 달성하기 위해 질량이 있는 페르미온이 반드시 필요하다. 이는 이전 결과 [5]와 일치한다.
• 분석 결과, 관측된 750 GeV 이중광자 과잉 현상이 실제로 존재한다면, 표준모형을 초월한 새로운 무거운 입자들이 존재할 것이며, 이들의 질량과 양자수는 진공에너지의 유한성에 의해 엄격히 제약을 받을 것임을 시사한다.