[논문 리뷰] Electroweak symmetry breaking through bosonic seesaw mechanism in a classically conformal extension of the Standard Model

Naoyuki Haba, Hiroyuki Ishida외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 힉스 두중우를 가진 표준모형의 고전적으로 등각적인 $U(1)_{B-L}$ 확장에서, 모든 힉스 질량 항이 양수임에도 불구하고 보존적 시에우 메커니즘을 통해 전자약 대칭 깨짐을 실현한다. 이 메커니즘은 양자역학적 군 수축을 통해 전자약 스케일을 자연스럽게 억제하며, 초기에 큰 계단이 존재하는 4차 상호작용 계수를 $U(1)_{B-L}$ 대칭 깨짐 스케일에서 온화한 계단으로 줄인다. $Z'$ 보손과 무거운 힉스 보손은 2 테바볼트 이하로 예측되며, LHC에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We suggest the so-called bosonic seesaw mechanism in the context of a classically conformal $U(1)_{B-L}$ extension of the Standard Model with two Higgs doublet fields. The $U(1)_{B-L}$ symmetry is radiatively broken via the Coleman-Weinberg mechanism, which also generates the mass terms for the two Higgs doublets through quartic Higgs couplings. Their masses are all positive but, nevertheless, the electroweak symmetry breaking is realized by the bosonic seesaw mechanism. We analyze the renormalization group evolutions for all model couplings, and find that a large hierarchy among the quartic Higgs couplings, which is crucial for the bosonic seesaw mechanism to work, is dramatically reduced toward high energies. Therefore, the bosonic seesaw is naturally realized with only a mild hierarchy, if some fundamental theory, which provides the origin of the classically conformal invariance, completes our model at some high energy, for example, the Planck scale. The requirements for the perturbativity of the running couplings and the electroweak vacuum stability in the renormalization group analysis as well as for the naturalness of the electroweak scale, we have identified the regions of model parameters. For example, the scale of the $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry breaking is constrained to be $\lesssim 100$ TeV, which corresponds to the extra heavy Higgs boson masses to be $\lesssim 2$ TeV. Such heavy Higgs bosons can be tested at the Large Hadron Collider in the near future.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 없이 고전적으로 등각 대칭성을 활용하여 게이지 계층 문제를 해결하고자 한다.
• 두 개의 힉스 두중우를 가진 $U(1)_{B-L}$ 확장 모형에서 보존적 시에우 메커니즘을 통해 전자약 대칭 깨짐을 실현하고자 한다.
• 시에우 메커니즘에 필수적인 4차 상호작용 계수 간의 큰 계층이 양자역학적 군 수축을 통해 동적으로 감소할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 플랑크 스케일까지의 파라미터 공간에서 안정성, 진동수 제약, 자연스러움 조건을 만족하는 가능성이 있는 영역을 규명하고자 한다.

제안 방법

• 게이지 대칭 $U(1)_{B-L}$ 와 두 개의 힉스 두중우를 도입하고, B-L 힉스 단일체 ($\Phi$) 를 통해 콜레먼-바이너그 메커니즘에 의해 반사적인 대칭 깨짐을 유도한다.
• 모든 4차 상호작용 계수가 양수임에도 불구하고 혼합 효과로 인해 물리적 힉스 질량 제곱이 음수가 되도록 하여 보존적 시에우 메커니즘을 실현한다.
• 모든 게이지, 요카, 스칼라 상호작용 계수에 대해 1-루프 양자역학적 군 수축 방정식(RGEs)을 수행하며, $g_{B-L}$, $\lambda_{1,2,3,4}$, $\lambda_{H1\Phi}$, $\lambda_{H2\Phi}$, $y_t$ 를 포함하여 에너지 스케일에 따른 변화를 추적한다.
• 플랑크 스케일을 고에너지 경계 조건으로 설정하여 상호작용 계수를 $U(1)_{B-L}$ 대칭 깨짐 스케일까지 끌어내리며, 초기에 큰 계층이 존재하는 $\lambda$ 계수들이 자연스럽게 감소함을 보여준다.
• 진동수 제약, 진공 안정성, 전자약 스케일의 자연스러움 조건을 적용하여 유효한 파라미터 공간을 규명한다.
• $v_\Phi$ 에서 $g_{\rm mix}$ 를 0으로 설정하여 $Z$–$Z'$ 혼합을 방지하고, $Z'$의 청명한 현상학적 특성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적으로 등각적인 표준모형의 $U(1)_{B-L}$ 확장에서, 음수 질량 항이 없이도 전자약 대칭 깨짐을 실현할 수 있는가?
• RQ2 모든 기초 질량 항이 양수임에도 불구하고 보존적 시에우 메커니즘은 어떻게 물리적 힉스 질량 제곱을 음수로 만드는가?
• RQ3 양자역학적 군 수축이 시에우 메커니즘에 요구되는 4차 힉스 상호작용 계수 간의 계층을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 진동수 제약, 진공 안정성, 자연스러움 조건으로부터 $U(1)_{B-L}$ 게이지 대칭 깨짐 스케일에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 이 모형은 대형 하드론 충돌기(LHC)에서 탐지 가능한 범위 내의 무거운 힉스 보손을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 보존적 시에우 메커니즘은 모든 질량 항이 양수임에도 불구하고 표준모형 유사 힉스 보손에 대해 효과적인 음수 질량 제곱을 유도하여 전자약 대칭 깨짐을 성공적으로 유도한다.
• 시에우 메커니즘에 요구되는 4차 상호작용 계수 간의 큰 계층은 양자역학적 군 수축을 통해 극적으로 감소하며, 모형이 플랑크 스케일에서 고에너지 완성된 경우 자연스러운 것으로 간주할 수 있다.
• $U(1)_{B-L}$ 게이지 대칭 깨짐 스케일은 $\lesssim 100$ 테바볼트 이하로 제약되며, 이는 $Z'$ 및 무거운 힉스 보손의 질량이 $\lesssim 2$ 테바볼트 이하임을 의미한다.
• 다양한 입력 파라미터에 대해 광범위한 영역에서 진동수 제약과 전자약 진공 안정성이 플랑크 스케일까지 유지된다.
• 모형은 전자약 스케일의 자연스러움 조건을 충족하며, 미세조정이 아닌 등각 대칭성과 RGE 역학을 통해 계층 문제를 해결한다.
• 예측된 무거운 힉스 보손들은 대형 하드론 충돌기의 탐지 범위 내에 있어 모형의 검증 가능성을 제공한다.