[论文解读] Electroweak vacuum stability in classically conformal B-L extension of the Standard Model

Arindam Das, Nobuchika Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 12

一句话总结

本文研究了在标准模型的规范性U(1)B-L扩展中，通过Coleman-Weinberg机制产生质量标度的理论中电弱真空稳定性问题。在二圈图水平下，识别出一个参数区域，该区域可稳定真空，同时满足LHC对Z′玻色子的约束，并通过自然性界限避免微调。

ABSTRACT

We consider the minimal U(1)$_{B-L}$ extension of the Standard Model (SM) with the classically conformal invariance, where an anomaly free U(1)$_{B-L}$ gauge symmetry is introduced along with three generations of right-handed neutrinos and a U(1)$_{B-L}$ Higgs field. Because of the classically conformal symmetry, all dimensional parameters are forbidden. The $B-L$ gauge symmetry is radiatively broken through the Coleman-Weinberg mechanism, generating the mass for the $U(1)_{B-L}$ gauge boson ($Z^\prime$ boson) and the right-handed neutrinos. Through a small negative coupling between the SM Higgs doublet and the $B-L$ Higgs field, the negative mass term for the SM Higgs doublet is generated and the electroweak symmetry is broken. In this model context, we investigate the electroweak vacuum instability problem in the SM. It is known that in the classically conformal U(1)$_{B-L}$ extension of the SM, the electroweak vacuum remains unstable in the renormalization group analysis at the one-loop level. In this paper, we extend the analysis to the two-loop level, and perform parameter scans. We identify a parameter region which not only solve the vacuum instability problem, but also satisfy the recent ATLAS and CMS bounds from search for $Z^\prime$ boson resonance at the LHC Run-2. Considering self-energy corrections to the SM Higgs doublet through the right-handed neutrinos and the $Z^\prime$ boson, we derive the naturalness bound on the model parameters to realize the electroweak scale without fine-tunings.

研究动机与目标

• 解决在经典规范性U(1)B-L扩展的标准模型中电弱真空不稳定性问题。
• 将先前的一圈跑动方程分析扩展至二圈水平，以提高真空稳定性评估的精度。
• 识别出同时满足电弱真空稳定、ATLAS和CMS对LHC Run-2中Z′玻色子共振的约束、并避免微调的参数区域。
• 通过评估右手中微子和Z′玻色子对标准模型希格斯粒子自能的量子修正，推导出模型参数的自然性界限。

提出的方法

• 使用B-L扩展模型中四次耦合和规范耦合的二圈跑动方程（RGEs）。
• 引入Coleman-Weinberg机制，通过量子修正实现U(1)B-L规范对称性的自发破缺，从而生成Z′玻色子和右手中微子的质量。
• 引入标准模型希格斯双重态与B-L希格斯场之间的微小负耦合，以生成标准模型希格斯粒子的负质量平方项，触发电弱对称性自发破缺。
• 对模型的耦合参数和质量参数进行广泛的参数扫描，以识别可行区域。
• 应用ATLAS和CMS在LHC上对Z′玻色子共振的约束，以排除物理上不成立的参数空间。
• 通过分析右手中微子和Z′玻色子对标准模型希格斯粒子自能的量子修正，推导出自然性界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二圈图水平下分析时，经典规范性U(1)B-L扩展的标准模型中电弱真空是否仍能保持稳定？
• RQ2 B-L模型中哪些参数区域同时满足LHC对Z′玻色子共振的约束和真空稳定性？
• RQ3 二圈修正如何影响希格斯四次耦合的跑动行为以及电弱真空的稳定性？
• RQ4 为避免实现电弱能标时的微调，模型参数的自然性界限是什么？
• RQ5 引入右手中微子和Z′玻色子后，对希格斯自能和真空稳定性的影响程度如何？

主要发现

• 在二圈图水平下存在一个可行的参数区域，使得电弱真空保持稳定，解决了在一环分析中出现的不稳定性。
• 该模型满足LHC Run-2中ATLAS和CMS对Z′玻色子共振的最新约束，排除了耦合过大或Z′质量过低的区域。
• 引入二圈修正显著改变了真空稳定性的格局，使得在一环分析中无法稳定的区域在二圈分析中变得稳定。
• 通过希格斯自能修正推导出的自然性界限，约束了右手中微子和Z′玻色子的质量，要求其低于约10 TeV，以避免微调。
• 标准模型希格斯粒子的负质量项通过其与B-L希格斯场之间的微小耦合生成，而该耦合本身通过Coleman-Weinberg机制实现量子生成。
• 该模型对紫外截断具有对数敏感性，与经典规范性一致，避免了希格斯质量中的二次发散。