[論文レビュー] Targeting the conformal window with 4+8 flavors

R. C. Brower, Anna Hasenfratz+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、SU(3)規範理論における共形ウィンドウを、4つの軽いおよび8つの重いフェルミオンを固定することで、重いクォーク質量を連続的な調整パラメータとして用いる、新しい格子QCD手法を導入する。この手法により、共形的およびカリオトロピー破れ相の間を連続的に補間できる。予備的な結果では、軽いクォーク質量において $0^{++}$ 異-spin 1状態がグルーオンより重くなることが示され、複合ヒッグスモデルに関連する潜在的な交差点が示唆される。

ABSTRACT

We study the transition between spontaneous chiral symmetry breaking and conformal behavior in the SU(3) theory with multiple fermion flavors. Instead of the traditional approach of changing the number of flavors, we keep the number of fermions fixed but lift the mass of a subset, keeping the remaining fermions near to the massless chiral limit. This way we can interpolate continuously between the conformal and chirally broken dynamics. In particular, we consider four light and eight heavy flavors and investigate the running/walking gauge coupling and the low energy meson spectrum, including the 0++ iso-singlet scalar state in this system. Our preliminary data reveal an iso-singlet scalar that is considerably lighter than the pion at large fermion mass but becomes heavier at smaller masses. This behavior is of particular phenomenological interest.

研究の動機と目的

• 離散的なフレーバー数に依存せずに、強い結合ゲージ理論における共形的およびカリオトロピー破れ相の遷移を調査すること。
• 複合ヒッグスモデルに特徴的なウォークイン行動が、重いフェルミオン質量の変形によって連続的に実現可能であり、調整可能かどうかを検証すること。
• 12フレーバー共形的および4フレーバーカリオトロピー破れ極限の間を補間する系において、特に $0^{++}$ スカラー状態を含む低エネルギー中間子スペクトルを計算すること。
• ウォークイン領域において、異スピン1スカラーがグルーオンより軽くなるかどうかを特定すること。これは、複合ヒッグス理論の物性論的重要な兆候である。

提案手法

• ウィルソンフェルミオンと勾配フローを用いた格子QCDにより、4つの軽いおよび8つの重いフェルミオンを有するSU(3)ゲージ理論をシミュレートし、スケール設定に勾配フローを用いる。
• 重いクォーク質量 $m_h$ を連続的なパラメータとして調整し、12フレーバーのIR固定点と4フレーバーのカリオトロピー破れ理論との間を補間する。
• 勾配フローを用いて走るゲージ結合定数を計算し、ウォークイン行動を同定し、IR固定点の存在を確認する。
• 連結および非連結相関関数を用いて $0^{++}$ スカラー中間子質量を抽出し、特に異スピン1状態の非連結収縮に注意を向ける。
• 有限体積補外を実施し、$24^3 \times 48$ および $32^3 \times 64$ の両ラティス上で結果を比較することで、体積効果を評価する。
• 勾配フローのスケール $\sqrt{8\tilde{t}_0}$ を用いて、すべての質量を物理単位で表現し、アンサンブル間での比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一部のフェルミオンの質量を調整することで、離散的フレーバー数の制限を回避して共形ウィンドウを連続的に探索できるか？
• RQ2 ウォークイン領域において、$0^{++}$ 異スピン1スカラー状態がグルーオンより軽くなるか？これは複合ヒッグスモデルの要請に一致する。
• RQ3 走る結合定数の遅い変化によって特徴づけられるウォークインの長さは、重いクォーク質量にどのように依存するか？
• RQ4 $0^{++}$ スカラー質量のカイラル極限における振る舞いは何か？カリオトロピー破れ理論で期待されるように、有限の値をとるか？

主な発見

• 重いクォーク質量が大きいとき（$m_h = 0.060$）、$0^{++}$ 異スピン1スカラーはグルーオンより軽く、ウォークテクニカラーの期待に一致する。
• 研究で最も軽いクォーク質量において、$0^{++}$ スカラーはグルーオンより重くなるが、差は統計的に有意でないため、潜在的な交差点が示唆される。
• カイラル極限において、スカラー質量は軽いクォーク質量に対して線形的依存を示し、破れ相における有限質量と整合的である。
• 予備的な推定では、カイラル極限において $m_\rho / m_\sigma \approx 1.7$ であると示唆され、相対的に軽いスカラー状態であることが示唆される。
• 有限体積効果は、グルーオンを重く、$0^{++}$ スカラーを軽くする傾向があり、これはより大きな体積でスカラー-グルーオン質量差が増幅される可能性を示唆する。
• スカラー状態の非連結相関関数は、励起状態の汚染が強いが、時間間隔が大きい領域でのプラトーは、非連結のみの予測と整合的である。