[论文解读] Cosmological Relaxation of Higgs Mass Before and After LHC and Naturalness

Gia Dvali|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出，希格斯粒子质量之所以自然地很小，并非由于对称性保护，而是因为它对应于一种熵和简并度无限的真空态，这种真空态在宇宙暴胀期间充当吸引子。与传统自然性机制不同，后者要求在TeV能标存在新物理，本机制无需LHC探测到新粒子即可解释层次问题，因为低能观测者无法探测到支配真空选择的深层紫外物理。

ABSTRACT

In post LHC era the old idea of cosmological vacuum relaxation of the Higgs mass that does not require any new physics in the vicinity of LHC energies acquires a new meaning. I discuss how this concept of naturanless differs from the standard one by 't Hooft. Here the observed value of the Higgs mass corresponds to a vacuum of infinite degeneracy and infinite entropy. Therefore, it represents and attractor point of cosmic inflationary evolution. This information is unavailable for a low energy observer living in one of such vacua. By not seeing any stabilizing physics at LHC such an observer is puzzled and creates an artificial problem of naturalness which in reality does not exist. We explain why this solution is fully compatible with the concept of Wilsonian decoupling.

研究动机与目标

• 将层次问题重新表述为并非需要LHC新物理的自然性问题，而是宇宙学真空选择问题。
• 论证观测到的希格斯质量对应于一种具有无限简并度和熵的真空态，使其在永恒暴胀中成为吸引子。
• 表明LHC未发现新物理并不意味着非自然性，而是反映了底层机制的隐蔽性。
• 确立该机制与威尔逊截断及有效场论原理相容。
• 通过类似的吸引子动力学，将基于熵的自然性概念推广至其他问题，如强CP问题。

提出的方法

• 提出希格斯质量的稳定并非源于对称性，而是由于永恒暴胀的宇宙学动力学选择具有最大熵的真空态。
• 使用3形式规范场论建模真空结构，其中CP守恒真空（θ = 0）对应于电场强度F = 0，通过3形式的希格斯机制将其提升为无限熵态。
• 利用吸引子机制表明，具有无限熵的真空在暴胀期间动态地被优先选择，并以高概率实现。
• 证明希格斯质量并非需由紫外物理解释的低能参数，而是真空景观全局结构的后果。
• 将相同逻辑应用于强CP问题，表明θ = 0是由于无限熵而成为吸引子真空，与希格斯质量情形类似。
• 论证该机制与有效场论及威尔逊截断一致，因为低能观测者无法探测到底层紫外结构的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何希格斯质量远小于普朗克尺度，且为何这并不需要LHC中存在新物理？
• RQ2 层次问题能否不通过规范对称性，而通过宇宙学真空选择来解决？
• RQ3 观测到的希格斯质量是否源于真空简并度与熵，而非辐射稳定性？
• RQ4 为何低能观测者无法探测到稳定希格斯质量的机制？
• RQ5 相同的吸引子机制能否解决其他自然性问题，如强CP问题？

主要发现

• 观测到的希格斯质量对应于具有无限简并度和熵的真空态，使其在宇宙暴胀期间成为动力学吸引子。
• LHC未发现新物理并不意味着非自然性，因为该机制对低能观测者而言是隐蔽的，因TeV能标下无可观测信号。
• 该机制与威尔逊截断及有效场论完全相容，因为低能实验未直接探测到紫外物理。
• 相同的吸引子机制可解释QCD中θ参数的消失，其中θ = 0对应于因3形式规范场的希格斯机制而具有无限熵的真空态。
• 层次问题的解决方案并非新粒子，而是具有最大熵的真空在宇宙学中的实际实现，而这种真空对低能观测者不可见。
• 该机制表明，自然性并非关于对称性或微调，而是永恒暴胀中高熵真空的统计主导性。