[논문 리뷰] Stability of the EW vacuum, Higgs boson, and new physics

Vincenzo Branchina|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 스케일에서의 새로운 물리 상호작용이 전자약력 진공의 수명을 극적으로 단축시킬 수 있음을 보여주며, 이러한 효과가 무시할 만하다는 오랫동안 지속된 가정을 도전한다. 이전의 믿음과는 달리, 표준모형의 안정성 단계도 새로운 물리에 의해 결정되며, $φ^6$ 및 $φ^8$와 같은 고차원 연산자는 진공 수명을 $10^{555}T_U$에서 $10^{-208}T_U$로 단축시켜 수정되지 않은 잠재력에 기반한 결론들을 무효화한다.

ABSTRACT

The possibility that the Standard Model (SM) is valid up to the Planck scale $M_P$, i.e. that new physics occurs only around $M_P$, is nowadays largely explored. For a metastable EW vacuum, we show that new physics interactions can have a great impact on its lifetime, and, differently from previous analyses, they cannot be neglected. Therefore, contrary to usual believes, the stability phase diagram of the SM depends on new physics. This has far reaching consequences. Beyond SM theories can be tested against their prediction for the stability of the EW vacuum. Moreover, despite of some recent claims, higher precision measurements of the top and Higgs masses cannot provide any definite answer on the SM stability properties. Finally, doubts on Higgs inflation scenarios, all based on results obtained neglecting new physics interactions, are also cast.

연구 동기 및 목표

• 플랑크 스케일에서의 새로운 물리가 전자약력 진공 안정성에 미치는 영향이 무시 가능하다는 가정을 도전하기 위해.
• 고차원 연산자가 표준모형에서 번동 해법과 진공 붕괴 비율에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 새로운 물리 상호작용이 포함된 경우 $M_H$-$M_t$ 평면에서의 안정성 단계도의 타당성을 재평가하기 위해.
• 플랑크 스케일에서의 새로운 물리가 포함된 상황에서 힉스 인플레이션과 근접 임계 상태 시나리오의 탄력성 테스트를 위해.
• 진공 수명 제약 조건에 기반한 새로운 BSM 안정성 테스트를 수립하기 위해.

제안 방법

• 논문은 힉스 효과 잠재력에 대한 유클리드 운동 방정식의 번동 해법을 사용하여 터널링 비율 $\Gamma = 1/\tau$를 계산한다.
• 플랑크 스케일에서의 새로운 물리 효과를 모델링하기 위해 계수 $\lambda_6 = -2$, $\lambda_8 = 2.1$를 가진 고차원 연산자 $\phi^6$ 및 $\phi^8$를 도입한다.
• 번동 해법에 대한 작용 $S[\phi_b]$는 수치적으로 평가되며, $S[\phi_b^{(1)}] \sim 1833$ 및 $S[\phi_b^{(2)}] \sim 82$로 산출된다.
• 변동 결정식과 일계 교정 $\Delta S_i$는 기능적 행렬식 방법을 통해 포함되어 붕괴 비율을 정밀화한다.
• 새로운 물리가 있는지 없는지에 따라 수명 $\tau$를 계산하며, $\tau_0 \sim 10^{555}T_U$ 및 $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$를 비교한다.
• 비순환 효과가 번동 선택에 있어 루프 보정보다 지배적임을 보여주기 위해 전력 카운팅 추론을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑크 스케일에서의 새로운 물리 상호작용은 전자약력 진공의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고차원 연산자인 $\phi^6$ 및 $\phi^8$의 포함이 진공 붕괴 비율을 크게 변화시킬 수 있는가?
• RQ3 새로운 물리가 포함된 경우 $M_H$-$M_t$ 평면에서의 표준 안정성 단계도는 여전히 유효한가?
• RQ4 플랑크 스케일에서의 새로운 물리가 포함된 상황에서 힉스 인플레이션 시나리오와 근접 임계 상태 가정은 탄력적인가?
• RQ5 톱 및 힉스 질량의 정밀 측정만으로 표준모형의 진공 안정성 상태를 결정할 수 있는가?

주요 결과

• 플랑크 스케일에서의 새로운 물리 상호작용은 전자약력 진공 수명을 $\tau_0 \sim 10^{555}T_U$에서 $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$로 단축시켜 760개 온도 이상의 억제를 초래한다.
• 붕괴 비율에 대한 주요 기여는 새로운 물리 상호작용이 무시될 경우 간과되는 번동 해법 $\phi_b^{(2)}$에서 비롯된다.
• 일계 교정 $\Delta S_i$를 포함하더라도 결과에 큰 영향을 주지 않으며, 이 경우 $\tau_{np} \sim 10^{-189}T_U$로 산출된다.
• 플랑크 스케일에서의 새로운 물리 효과가 무시 가능하다는 표준 가정은 진공 안정성에 대해 잘못되었으며, 비순환 효과가 지배적이기 때문이다.
• 표준모형의 안정성 단계도는 보편적이지 않으며, 특정한 새로운 물리의 형태에 따라 달라지며, 수정되지 않은 잠재력에 기반한 이전의 결론들을 무효화한다.
• 힉스 인플레이션 시나리오와 근접 임계 상태 주장은 강하게 도전받으며, 이는 이러한 새로운 물리 상호작용이 존재하지 않는다는 가정에 기반하기 때문이다.