[论文解读] Naturalness: A Snowmass White Paper

Nathaniel Craig|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 14

一句话总结

这篇Snowmass白皮书回顾了高能物理中三大自然性问题——宇宙学常数问题、电弱层次问题和强CP问题——的当前状况，评估了近期的理论方法与实验约束。尽管LHC的空结果和理论张力日益增长，本文仍主张将自然性作为一项务实的发现策略持续探索，并强调了诸如UV/IR混合、自组织临界性以及广义对称性等有前景的新方向。

ABSTRACT

We assess the state of naturalness in high-energy physics and summarize recent approaches to the three major naturalness problems: the cosmological constant problem, the electroweak hierarchy problem, and the strong CP problem.

研究动机与目标

• 根据近期实验结果（尤其是来自LHC的结果）评估高能物理中自然性的当前状态。
• 总结并评估解决三大自然性问题（宇宙学常数问题、电弱层次问题和强CP问题）的新兴理论方法。
• 主张尽管存在日益增长的怀疑，自然性依然是指导新物理发现的可行且基于实证的策略。
• 强调尚未充分探索但前景广阔的路径，如UV/IR混合、自组织临界性以及广义对称性（例如高阶形式对称性和非可逆对称性）。
• 鼓励继续开展基于自然性的理论与实验探索，即使面对空结果，因为它们可能揭示量子场论与引力更深层的原理。

提出的方法

• 回顾自然性的历史与概念基础，强调其作为一项务实且经实证验证的新物理发现策略的作用。
• 通过有效场论、对称性原理和UV/IR动力学的视角分析三大经典自然性问题。
• 根据当前LHC的约束，评估已知解决方案（如轴子解决强CP问题、超对称解决层次问题）的可行性。
• 探索新型机制，包括弛豫模型（如弛豫子）、全息UV/IR混合以及自组织临界性，作为潜在的解决方案。
• 考察广义对称性（高阶形式对称性、高阶群对称性以及非可逆对称性）在提供自然性新框架方面的作用。
• 联系幅度程序的最新进展，表明异常维数中的意外零点可能有助于精炼自然性预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管LHC对超对称及其他自然解的空结果不断出现，自然性在高能物理中在多大程度上仍可作为可行的指导原则？
• RQ2 在最小超对称模型之外，解决电弱层次问题的最有希望的替代机制是什么？
• RQ3 UV/IR混合或自组织临界性在多大程度上能为宇宙学常数问题或层次问题提供动力学解决方案？
• RQ4 广义对称性（如高阶形式对称性或非可逆对称性）在何种方式下能为质量参数与真空结构的自然性提供新见解？
• RQ5 幅度程序的最新进展（特别是威尔逊系数和异常维数中的意外零点）在多大程度上挑战或精炼了传统的自然性预期？

主要发现

• 电弱层次问题仍未解决，最小超对称及其他自然解正受到LHC空结果的强烈压力。
• 强CP问题相对处境较好，轴子作为主要候选者，但其探测尚未在实验上得到证实。
• 宇宙学常数问题仍难以找到自然解，尽管人择论和弛豫机制提供了有限但非平凡的理论支持。
• UV/IR混合与自组织临界性是尚未充分探索但理论前景广阔的路径，具有解决自然性问题的变革潜力。
• 广义对称性（尤其是高阶形式对称性和非可逆对称性）已为规范玻色子质量的自然性以及轴子-杨–米尔斯理论现象学提供了新见解。
• 近期幅度程序的结果（包括一阶和二阶圈异常维数中的意外零点）表明，在满足壳选择规则和手征性抑制的条件下，自然性预期可能需要进一步精炼。