[論文レビュー] Constraining Scalar Doublet and Triplet Leptoquarks with Vacuum Stability and Perturbativity

Priyotosh Bandyopadhyay, Shilpa Jangid+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 159被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、プランクスケールまでに摂動的ユニタリティと真空安定性を用いてスカラー反レプトクォーカー模型（特に二重項 eR2 と三重項 S3）を制約する。ヒッグス-反レプトクォーカー四次結合と反レプトクォーカー ヤコビ結合の二ループ β 関数を導出し、三世代を持つ場合に eR2 モデルはプランクスケールまで摂動的かつ真空安定であることが示された。一方、S3 モデルおよび組み合わせモデルではより強い制約が生じ、ヤコビ結合がそれぞれ <1.30、<3.90、<1.00 未満に制限される。

ABSTRACT

We investigate the constraints on the leptoquark Yukawa couplings and Higgs-leptoquark quartic couplings for scalar doublet leptoquark $ ilde{R}_2$, scalar triplet leptoquark $\vec S_3$ and their combination with both three generations and one generation from perturbative unitarity and vacuum stability. Perturbative unitarity of all the dimensionless couplings have been studied via one- and two-loop beta-functions. Introduction of new $SU(2)$ multiplets in terms of these leptoquarks fabricate Landau poles at two-loop level in the gauge coupling $g_2$ at $10^{19.7}$ GeV and $10^{14.4}$ GeV, respectively for $\vec S_3$ and $ ilde{R}_2+\vec S_3$ models with three generations. However, such Landau pole ceases to exist for $ ilde{R}_2$ and any of these extensions with both one and two generations till Planck scale. The Higgs-leptoquark quartic couplings acquire severe constraints to protect Planck scale perturbativity, whereas leptoquark Yukawa couplings get some upper bound in order to respect Planck scale stability of Higgs Vacuum. The Higgs quartic coupling at two-loop constraints the leptoquark Yukawa couplings for $ ilde{R}_2,\vec S_3, \, ilde{R}_2+\vec S_3$ with values $\lesssim 1.30, 3.90, 1.00$ with three generations. In the effective potential approach, the presence of any of these leptoquarks with any number of generations pushes the metastable vacuum of the Standard Model to the stable region.

研究の動機と目的

• 摂動的ユニタリティと真空安定性を用いて、スカラー反レプトクォーカー（eR2 および S3）のヤコビ結合およびヒッグス-反レプトクォーカー四次結合を制約すること。
• ゲージ結合のランダウ極を解析することで、プランクスケールまでに標準模型の反レプトクォーカー拡張の妥当性を評価すること。
• 高エネルギースケールにおけるヒッグスの真空安定性と摂動的有限性を保つために、反レプトクォーカー ヤコビ結合の上界を特定すること。
• 三世代と一世代の違いが、反レプトクォーカー モデルの安定性および摂動的有限性に与える影響を評価すること。
• 有効ポテンシャル枠組みにおいて、反レプトクォーカーの導入が電弱真空を安定化させるかどうかを調査すること。

提案手法

• ゲージ結合（g1, g2, g3）およびヒッグス-反レプトクォーカー四次結合の、ローレンツ群方程式を用いた一および二ループ β 関数を導出する。
• 一および三世代を持つ eR2、S3、および eR2+S3 モデルにおいて、ヒッグス-反レプトクォーカー四次結合（λ2, eλ2, λ3, eλ3）の二ループ β 関数を適用する。
• 有効ポテンシャルアプローチを用いて、反レプトクォーカー自己結合および混合項の寄与を含めた真空安定性を評価する。
• プランクスケールまで結合定数が有限に保たれることを要請することで摂動的有限性制約を課し、ゲージ結合におけるランダウ極を特定する。
• ゲージ結合（g2, g3）のスケール変動を実行し、摂動的有限性の破綻が生じるエネルギー スケールを特定する。
• トップクォーク ヤコビ結合のスケール変動と反レプトクォーカー ヤコビ結合の進化を、完全な RGE フレームワークに統合して整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグス-反レプトクォーカー四次結合と反レプトクォーカー ヤコビ結合の上界は、プランクスケールにおける摂動的有限性と真空安定性を保つためにどの程度であるか？
• RQ2 三世代を持つ eR2、S3、および eR2+S3 モデルにおいて、ゲージ結合 g2 および g3 にランダウ極が現れるエネルギー スケールは何か？
• RQ3 一世代と三世代の導入が、反レプトクォーカー結合の摂動的有限性および真空安定性制約にどのように影響するか？
• RQ4 有効ポテンシャルアプローチにおいて、反レプトクォーカーの導入が電弱真空をどの程度安定化させるか？
• RQ5 反レプトクォーカーの自己四次結合およびヒッグス場との混合項は、モデルの安定性および摂動的有限性にどのように影響するか？

主な発見

• 三世代を持つ eR2 モデルでは、ヒッグス-反レプトクォーカー四次結合がプランクスケールまで摂動的であり、ヤコビ結合は約 1.30 未満に制限される。
• 三世代を持つ S3 モデルでは、SU(2)L ゲージ結合 g2 に 10^14.4 GeV でランダウ極が現れ、プランクスケールに達する前に摂動的有限性が失われる。
• 三世代を持つ eR2 + S3 モデルでは、g2 に 10^19.7 GeV でランダウ極が現れ、eR2 単体と比較してより高いエネルギー スケールでの不安定性を示唆する。
• 一および二世代では、プランクスケールまで g2 や g3 にランダウ極が現れないため、eR2 および eR2+S3 モデルは全エネルギー範囲にわたり摂動的である。
• 有効ポテンシャル解析により、任意の世代数に関わらず反レプトクォーカーの存在が、不安定な標準模型の真空を安定領域にシフトさせることが示された。
• ヒッグス-反レプトクォーカー四次結合がヤコビ結合の制約において最もきつい制限をもたらし、三世代モデルでは eR2、S3、eR2+S3 モデルそれぞれに対してヤコビ結合が ∼1.30、∼3.90、∼1.00 未満に制限される。