[논문 리뷰] Standard Model with hidden scale invariance and light dilaton

Archil Kobakhidze, Shelley Liang|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소적 확장을 제안하며, 고전적 척도 불변성이 자동으로 붕괴됨에 따라 나타나는 동적 다이팔톤 장을 통해 힉스 질량 계층이 안정화되는 숨겨진 척도 불변성을 포함한다. 다이팔톤은 두 루프 수준에서 양자 척도 비틀림에 의해 질량을 얻으며, 이로 인해 전자기적 척도와 다이팔톤 진공기대값 사이의 계층에 따라 약 ~0.01 μeV에서 ~100 MeV 사이의 가벼운 스칼라 보손이 된다.

ABSTRACT

We consider the minimal Standard Model as an effective low-energy description of an unspecified fundamental theory with spontaneously broken conformal symmetry. The effective theory exhibits classical scale invariance which manifest itself through the dilaton field. The mass of the dilaton is generated via the quantum scale anomaly at two-loop level and is proportional to the techically stable hierarchy between the electroweak scale and a high energy scale given by a dilaton vacuum expectation value. We find that a generic prediction of this class of models is the existence of a very light dilaton with mass between $\sim 0.01$ $μ$eV to $\sim 100$ MeV, depending on the hierarchy of scales. Searches for such a light scalar particle may reveal a fundamental role of conformal invariance in nature.

연구 동기 및 목표

• 스уп러시매트리 없이 표준모형의 계층 문제를 해결하기 위해 은폐된 척도 불변성을 도입한다.
• 전자기적 척도와 고에너지 척도 사이의 기술적으로 자연스러운 계층이 다이팔톤 장에 의해 유지될 수 있음을 보여준다.
• 다이팔톤 질량이 두 루프 수준에서 양자 척도 비틀림을 통해 동적으로 생성됨을 보여준다.
• 미래 실험에서 검출 가능할 수 있는 가벼운 스칼라 입자(다이팔톤)를 예측하며, 이는 자연 속 기본적인 등각 대칭성을 드러낼 수 있다.

제안 방법

• 표준모형의 모든 질량 매개변수를 동적 다이팔톤 장 χ로 확장하여 효과 이론에서 고전적 척도 불변성을 복원한다.
• 명백한 척도 불변성을 가지는 힉스-다이팔톤 포텐셜을 구성하며, 결합 상수와 질량 척도는 다이팔톤의 진공기대값 vχ를 통해 결정된다.
• 표준모형의 커플링을 톰 쿼크 질량 척도에서 다이팔톤 척도로 레너모리제이션 군 방정식(RGEs)을 통해 진화시키며, vχ에서 최소화 조건을 강제한다.
• 양자 척도 비틀림을 통해 다이팔톤 질량을 계산하며, 이는 ε = vew / vχ 비례하는 두 루프 수준의 질량 항을 생성한다.
• 우주론적 상수 기여로 인한 다이팔톤 질량의 불안정성을 방지하기 위해 진공 에너지 상쇄 조건을 구현한다.
• 힉스 보손과의 혼합과 1/vχ에 의한 억제를 통해 SM 입자들과의 다이팔톤 결합을 유도하며, 이로 인해 약한 결합을 가진 가벼운 스칼라 상태가 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스우퍼시매트리 없이도 전자기적 척도와 고에너지 척도 사이의 기술적으로 자연스러운 계층을 달성할 수 있는가?
• RQ2 척도 불변성 확장된 표준모형에서 다이팔톤 질량의 기원과 크기는 무엇인가?
• RQ3 척도 비틀림의 양자 보정이 두 루프 수준에서 어떻게 다이팔톤 질량을 생성하는가?
• RQ4 μeV에서 MeV 범위의 가벼운 다이팔톤의 현상학적 서명은 무엇인가?
• RQ5 약한 결합과 가벼운 질량 덕분에 다이팔톤이 암흑물질 후보가 될 수 있는가?

주요 결과

• 다이팔톤 질량은 두 루프 수준에서 양자 척도 비틀림을 통해 생성되며, ε = vew / vχ 비례하는 억제 인자에 의해 결정된다.
• 다이팔톤 질량은 전자기적 척도와 다이팔톤 진공기대값 사이의 계층에 따라 약 ~0.01 μeV에서 ~100 MeV 사이로 변동한다.
• 큰 다이팔톤 붕괴 상수 fχ에 의한 억제로 인해 SM 입자들과의 결합이 약해지는 가벼운 스칼라 입자를 모델이 예측한다.
• 양자 수준에서 진공 에너지 상쇄 조건을 통해 다이팔톤 질량이 안정되고 자연스럽게 작게 유지됨을 보장한다.
• 다이팔톤은 비정상 척도 불변성이 자동으로 붕괴됨에 따라 나타나는 허위 골드스톤 보손이며, 1/vχ의 거듭제곱에 의해 억제된 결합을 가진다.
• 스우퍼시매트리의 대안으로 계층 문제를 해결할 수 있으며, 일반적으로 검출 가능한 가벼운 스칼라 상태를 예측하는 타당한 모델이다.