[论文解读] Electroweak symmetry breaking through bosonic seesaw mechanism in a classically conformal extension of the Standard Model

Naoyuki Haba, Hiroyuki Ishida+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种标准模型的规范性 $U(1)_{B-L}$ 修正版本，包含两个希格斯双重态，其中电弱对称性自发破缺通过规范玻色子 seesaw 机制实现，尽管所有希格斯质量项均为正值。该机制通过跑动的规范群演化自然抑制电弱能标，将初始的四次耦合大层次问题减弱为在 $U(1)_{B-L}$ 对称性破缺尺度下的温和层次问题，预测 $Z'$ 玻色子和重希格斯玻色子质量低于 2 TeV，可在大型强子对撞机（LHC）上检验。

ABSTRACT

We suggest the so-called bosonic seesaw mechanism in the context of a classically conformal $U(1)_{B-L}$ extension of the Standard Model with two Higgs doublet fields. The $U(1)_{B-L}$ symmetry is radiatively broken via the Coleman-Weinberg mechanism, which also generates the mass terms for the two Higgs doublets through quartic Higgs couplings. Their masses are all positive but, nevertheless, the electroweak symmetry breaking is realized by the bosonic seesaw mechanism. We analyze the renormalization group evolutions for all model couplings, and find that a large hierarchy among the quartic Higgs couplings, which is crucial for the bosonic seesaw mechanism to work, is dramatically reduced toward high energies. Therefore, the bosonic seesaw is naturally realized with only a mild hierarchy, if some fundamental theory, which provides the origin of the classically conformal invariance, completes our model at some high energy, for example, the Planck scale. The requirements for the perturbativity of the running couplings and the electroweak vacuum stability in the renormalization group analysis as well as for the naturalness of the electroweak scale, we have identified the regions of model parameters. For example, the scale of the $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry breaking is constrained to be $\lesssim 100$ TeV, which corresponds to the extra heavy Higgs boson masses to be $\lesssim 2$ TeV. Such heavy Higgs bosons can be tested at the Large Hadron Collider in the near future.

研究动机与目标

• 通过利用经典规范对称性，不借助超对称性来解决 gauge 层次问题。
• 在具有两个希格斯双重态的 $U(1)_{B-L}$ 扩展模型中，通过玻色子 seesaw 机制实现电弱对称性破缺。
• 证明在 seesaw 机制中所需的四次耦合大层次问题，可通过跑动的规范群演化实现动态减弱。
• 识别满足微扰性、真空稳定性及自然性约束的可行参数区域，直至普朗克能标。

提出的方法

• 引入 $U(1)_{B-L}$ 规范对称性及两个希格斯双重态，其中 B-L 希格斯单态 ($\Phi$) 通过 Coleman-Weinberg 机制触发量子对称性破缺。
• 通过安排正值四次耦合，使物理希格斯质量平方因混合而变为负值，从而实现玻色子 seesaw 机制，触发电弱对称性破缺。
• 对所有规范、Yukawa 及标量耦合（包括 $g_{B-L}$、$\lambda_{1,2,3,4}$、$\lambda_{H1\Phi}$、$\lambda_{H2\Phi}$ 和 $y_t$）进行一环跑动的规范群方程（RGEs）演化，追踪其能量尺度演化。
• 以普朗克能标为紫外边界条件，将耦合常数演化至 $U(1)_{B-L}$ 对称性破缺尺度，表明四次耦合 $\lambda$ 的初始大层次问题可自然减弱。
• 应用微扰性、真空稳定性及电弱能标自然性约束，识别可行的参数空间。
• 在 $v_\Phi$ 处设动能混合耦合 $g_{\rm mix}$ 为零，以避免 $Z$–$Z'$ 混合，确保 $Z'$ 的清晰现象学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经典规范性 $U(1)_{B-L}$ 扩展的标准模型中，是否可以在不引入负质量项的前提下实现电弱对称性破缺？
• RQ2 当所有裸质量项均为正值时，玻色子 seesaw 机制如何生成负的物理希格斯质量平方？
• RQ3 跑动的规范群演化在多大程度上减弱 seesaw 机制中四次希格斯耦合所需的层次问题？
• RQ4 微扰性、真空稳定性及自然性对 $U(1)_{B-L}$ 规范对称性破缺尺度施加了何种约束？
• RQ5 该模型是否能预测在大型强子对撞机探测范围内的重希格斯玻色子？

主要发现

• 玻色子 seesaw 机制成功通过 SM 类希格斯的等效负质量平方触发电弱对称性破缺，尽管所有质量项均为正值。
• 为实现 seesaw 机制而必需的四次耦合大层次问题，通过跑动的规范群演化被显著减弱，若该模型在普朗克能标处完成紫外补全，则该层次问题变得自然。
• $U(1)_{B-L}$ 规范对称性破缺尺度被约束在 $\lesssim 100$ TeV 以内，意味着 $Z'$ 和重希格斯玻色子的质量 $\lesssim 2$ TeV。
• 在广泛输入参数范围内，微扰性及电弱真空稳定性可维持至普朗克能标。
• 该模型满足电弱能标的自然性条件，层次问题通过规范对称性与 RGE 动力学机制解决，而非精细调节。
• 预测的重希格斯玻色子位于大型强子对撞机的可探测范围内，为该模型提供了可检验的信号。