[논문 리뷰] A finite electroweak model without a Higgs particle

J. W. Moffat, Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|2008. 12. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 39인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 힉스 보손이 없이도 W 및 Z 보손 질량과 페르미온 질량을 생성하는 유 end 유한 전기약력 이론을 제안한다. 이 이론은 기본 에너지 스케일 $\Lambda_W$를 가진 UV 완전하고 게이지 불변인 양자장론으로, 실험값과 0.5% 이내의 정확도로 $m_W \approx 80.05$ GeV를 예측하며, 고에너지에서의 단위성과 상호작용 강도의 실행에 의해 계층 문제를 피하고, LHC에서 표준모형과의 구별이 가능한 검증 가능한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

An electroweak model in which the masses of the W and Z bosons and the fermions are generated by quantum loop graphs through a symmetry breaking is investigated. The model is based on a regularized quantum field theory in which the quantum loop graphs are finite to all orders of perturbation theory and the massless theory is gauge invariant, Poincare invariant, and unitary. The breaking of the electroweak symmetry SU_L(2) X U_Y(1) is achieved without a Higgs particle. A fundamental energy scale Λ_W (not to be confused with a naive cutoff) enters the theory through the regularization of the Feynman loop diagrams. The finite regularized theory with Λ_W allows for a fitting of low energy electroweak data. Λ_W ~ 542 GeV is determined at the Z pole by fitting it to the Z mass m_Z, and anchoring the value of \sin^2θ_w to its experimental value at the Z pole yields a prediction for the W mass m_W that is accurate to about 0.5% without radiative corrections. The scattering amplitudes for W_LW_L -> W_LW_L and e+e- -> W_L^+W_L^- processes do not violate unitarity at high energies due to the suppression of the amplitudes by the running of the coupling constants at vertices. There is no Higgs hierarchy fine-tuning problem in the model. The unitary tree level amplitudes for W_LW_L -> W_LW_L scattering and e+e- -> W_L^+W_L^- annihilation, predicted by the finite electroweak model are compared with the amplitudes obtained from the standard model with Higgs exchange. These predicted amplitudes can be used to distinguish at the LHC between the standard electroweak model and the Higgsless model.

연구 동기 및 목표

• 히iggs 보손 없이도 $SU_L(2)\times U_Y(1)$ 대칭을 깨는 끝내기 유한한 전기약력 이론을 개발하기 위해.
• 질량 생성 과정에서 정밀조정이 필요 없도록 하여 계층 문제를 해결하기 위해.
• 모든 차수에서 끝내기 유한한 루프 도형을 가진 UV 완전하고 단위성 및 파oincaré 불변인 양자장론을 구축하기 위해.
• 자기 일관된 질량 갭 방정식과 기본 에너지 스케일 $\Lambda_W$를 사용하여 $W$ 및 $Z$ 보손 질량을 예측하기 위해.
• LHC에서 힉스 없는 모형과 힉스 기반 산란 진폭 간의 차이를 통해 표준모형의 검증 가능한 대안을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이론은 모든 양자 루프 그래프가 모든 순서의 양자역학적 섭동 이론에서 끝내기 유한하도록 하는 비국소적 상호작용 라그랑지안을 가진 정규화된 양자장론을 사용한다.
• 기본 에너지 스케일 $\Lambda_W$는 파인먼 도형의 정규화를 통해 이론에 들어가며, 나이브한 UV 절단 대신 사용된다.
• fermion 자기에너지 도형은 자가 일관된 질량 갭 방정식을 통해 쿼크와 렙톤의 질량을 생성하며, 토프 쿼크의 경우 $\Lambda_t \sim 6$ TeV이다.
• W^\pm 및 Z^0 보손은 붕괴된 게이지 대칭으로부터 유래한 세 개의 나무-골드스톤 스칼라 모드를 통해 질량을 얻으며, 광자는 질량이 없다.
• 게이지 커플링 상수 $g$, $g'$, 및 $e$의 실행은 고에너지 산란 진폭을 억제하여 $W_LW_L \to W_LW_L$ 및 $e^+e^- \to W_L^+W_L^-$ 과정에서 단위성을 유지한다.
• $\rho$ 파라미터는 $\rho \approx 1.0023$로 계산되며, 유한한 $\Lambda_W$ 효과로 인해 표준모형의 고전적 값인 $\rho=1$과 다름.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히iggs 보손 없이도 단위성과 게이지 불변성을 유지하면서 전기약력 대칭 깨짐을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기본 에너지 스케일 $\Lambda_W$를 가진 끝내기 유한한 양자장론이 반사 보정 없이도 $W$ 및 $Z$ 보손 질량을 재현할 수 있는가?
• RQ3 고에너지에서 힉스 없는 모형의 산란 진폭은 표준모형과 어떻게 다를 수 있으며, LHC에서 이를 구별할 수 있는가?
• RQ4 히iggs 보손의 부재가 전기약력 질량 생성에서 계층 문제를 제거하는가?
• RQ5 중성미온 질량과 플레이버 혼합은 끝내기 유한한 힉스 없는 전기약력 모형에 일관되게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 이론은 $Z$ 보손 질량 $m_Z = 91.1876 \pm 0.0021$ GeV을 사용하여 $\Lambda_W = 541.9$ GeV로 결정하며, $Z$ 피크에서의 $\sin^2\theta_w$를 실험값에 고정한다.
• 자기에너지 방정식 $m_W^2 = \Pi_W^T(m_W^2)$를 사용하여 $m_W \simeq 80.05$ GeV로 $W$ 보손 질량을 예측하였으며, 반사 보정 없이도 실험값인 $80.398 \pm 0.025$ GeV와 0.5% 이내의 정확도로 일치한다.
• $\rho$ 파라미터는 $\rho \simeq 1.0023$로 계산되며, 표준모형의 고전적 값인 $\rho = 1$과 다름. 이는 유한한 $\Lambda_W$ 효과로 인한 것이다.
• $W_LW_L \to W_LW_L$ 및 $e^+e^- \to W_L^+W_L^-$ 산란 진폭은 게이지 커플링 상수 $g$, $g'$, 및 $e$의 실행으로 인해 고에너지에서 단위성을 유지한다.
• 중성미온 질량은 비대칭 에너지 스케일 $\Lambda_{ff'}$를 가진 질량 행렬을 통해 생성되며, 페르미온 질량 생성 메커니즘에 자연스럽게 통합된다.
• 이론은 힉스 보손이 없기 때문에 계층 문제를 완전히 피하며, 전기약력 스케일을 안정화하기 위해 새로운 물리학이나 정밀조정이 필요하지 않다.