[论文解读] Constraining Scalar Doublet and Triplet Leptoquarks with Vacuum Stability and Perturbativity

Priyotosh Bandyopadhyay, Shilpa Jangid+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 159被引用 16

一句话总结

本文利用微扰幺正性和真空稳定性，将标量轻子荷夸克模型（特别是双态 eR2 和三重态 S3）的约束扩展至普朗克尺度。推导了希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合及轻子荷夸克汤川耦合的两圈β函数，表明在三代情况下，eR2 模型在普朗克尺度内保持微扰性和真空稳定性；而 S3 及联合模型则面临更强约束，其汤川耦合上限分别被限制在 <1.30、<3.90 和 <1.00 以内。

ABSTRACT

We investigate the constraints on the leptoquark Yukawa couplings and Higgs-leptoquark quartic couplings for scalar doublet leptoquark $ ilde{R}_2$, scalar triplet leptoquark $\vec S_3$ and their combination with both three generations and one generation from perturbative unitarity and vacuum stability. Perturbative unitarity of all the dimensionless couplings have been studied via one- and two-loop beta-functions. Introduction of new $SU(2)$ multiplets in terms of these leptoquarks fabricate Landau poles at two-loop level in the gauge coupling $g_2$ at $10^{19.7}$ GeV and $10^{14.4}$ GeV, respectively for $\vec S_3$ and $ ilde{R}_2+\vec S_3$ models with three generations. However, such Landau pole ceases to exist for $ ilde{R}_2$ and any of these extensions with both one and two generations till Planck scale. The Higgs-leptoquark quartic couplings acquire severe constraints to protect Planck scale perturbativity, whereas leptoquark Yukawa couplings get some upper bound in order to respect Planck scale stability of Higgs Vacuum. The Higgs quartic coupling at two-loop constraints the leptoquark Yukawa couplings for $ ilde{R}_2,\vec S_3, \, ilde{R}_2+\vec S_3$ with values $\lesssim 1.30, 3.90, 1.00$ with three generations. In the effective potential approach, the presence of any of these leptoquarks with any number of generations pushes the metastable vacuum of the Standard Model to the stable region.

研究动机与目标

• 利用微扰幺正性和真空稳定性，约束标量轻子荷夸克（eR2 和 S3）的汤川耦合与希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合。
• 通过分析规范耦合中的朗道极点，评估标准模型的轻子荷夸克扩展在普朗克尺度内的可行性。
• 确定在高能标下保持希格斯真空稳定性和微扰性的轻子荷夸克汤川耦合的上限。
• 评估三代与单代对轻子荷夸克模型稳定性与微扰性约束的影响。
• 研究在有效势框架下，引入轻子荷夸克是否能稳定电弱真空。

提出的方法

• 利用规范耦合（g1, g2, g3）和希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合的重整化群方程，推导出规范耦合与希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合的一至两圈β函数。
• 在单代与三代情况下，对 eR2、S3 及 eR2+S3 模型应用希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合（λ2, eλ2, λ3, eλ3）的两圈β函数。
• 采用有效势方法评估真空稳定性，包含轻子荷夸克自耦合与混合项的贡献。
• 通过要求耦合在普朗克尺度内保持有限，施加微扰性约束，识别规范耦合中的朗道极点。
• 通过规范耦合（g2, g3）的尺度变化检测朗道极点，并评估微扰性失效的能量标度。
• 将顶夸克汤川耦合的跑动与轻子荷夸克汤川耦合的演化整合进完整的 RGE 框架，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持普朗克尺度微扰性与真空稳定性的前提下，轻子荷夸克汤川耦合的上限是多少？
• RQ2 在三代情况下，eR2、S3 及 eR2+S3 模型的规范耦合（g2, g3）中，朗道极点出现在哪个能量标度？
• RQ3 与单代相比，引入三代对轻子荷夸克耦合的微扰性与真空稳定性约束有何影响？
• RQ4 在有效势方法中，轻子荷夸克在多大程度上能稳定电弱真空？
• RQ5 轻子荷夸克的自四费米子耦合及其与希格斯场的混合如何影响模型的稳定性与微扰性？

主要发现

• 在三代情况下，eR2 模型的希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合在普朗克尺度内保持微扰性，其汤川耦合上限约为 1.30。
• 在三代情况下，S3 模型在 SU(2)L 规范耦合 g2 处出现朗道极点，能量标度为 10^14.4 GeV，表明在达到普朗克尺度前已失去微扰性。
• 在三代情况下，eR2 + S3 联合模型在 g2 处出现朗道极点，能量标度为 10^19.7 GeV，表明其不稳定性能量标度高于 eR2 单独模型。
• 在单代与双代情况下，g2 与 g3 在普朗克尺度内均未出现朗道极点，表明 eR2 与 eR2+S3 模型在整个能量范围内保持微扰性。
• 有效势分析表明，无论代数多少，只要存在任何轻子荷夸克，都会使标准模型的亚稳真空移至稳定区域。
• 希格斯-轻子荷夸克四费米子耦合对汤川耦合施加了最严格的约束，三代模型中 eR2、S3 与 eR2+S3 模型的汤川耦合上限分别需低于 ∼1.30、∼3.90 与 ∼1.00。