[论文解读] Gravi-Natural Higgs and Conformal New Physics

D. Demir|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新机制——引力自然化（gravi-naturalization），通过规范变换下的引力框架，而非在电弱尺度引入新粒子，来解决希格斯自然性问题。关键结果是在特定共形框架（即“引力框架”）中，希格斯场与物质场的相互作用被解耦，导致二次发散完全消失，从而自然稳定希格斯质量，无需引入新物理，同时允许基于共形场论（CFT）的扩展，以更少的参数统一暗物质、暴胀和CP破坏。

ABSTRACT

We study gauge hierarchy problem of the Standard Model (SM) not by introducing new physics at the electroweak scale but by utilizing gravitational frames, frames generated by conformal transformations, as a renormalization medium. The essence of the naturalization mechanism is that a particular conformal transformation with respect to the Higgs field completely decouples Higgs from matter fields so that the terms causing quadratic divergences become genuine benign. In this frame, we analyze stability, unitarity and renormalizability of the interactions, and construct the effective $SM$ theory at the electroweak scale by taking into account the conformal anomalies. We scrutinize certain salient features of the framework, and discuss h -> gamma gamma decay as an application. The proposed mechanism naturalizes not only the SM but also its extensions if they involve no new mass scales and exhibit strict conformal invariance. The new physics thus forms a conformal field theory (CFT), and can involve additional fermion generations, extra gauge groups as well as all kinds of SM singlets. Certain phenomena, for instance, CP-violating Higgs sector, Dark Matter and Inflation, can be modeled with less free parameters. Scalar and vector singlets can directly interact with the SM spectrum, and can be searched for in certain scattering processes such as the invisible decays of the Higgs boson.

研究动机与目标

• 在电弱尺度不引入新物理的前提下，解决标准模型（SM）中的规范层次问题。
• 探讨通过希格斯场的共形变换生成的引力框架，是否可作为希格斯 sector 的自然正则化介质。
• 证明希格斯质量的稳定性源于共形变换诱导的全局标度对称性，从而避免二次发散。
• 构建电弱尺度下的有效SM理论，以解释共形异常并保持幺正性和可微分性。
• 表明若存在新物理，其必须为共形场论（CFT），并探讨其在暗物质、暴胀和CP破坏方面的含义。

提出的方法

• 利用希格斯场的共形变换定义新的引力框架，其中共形因子被识别为希格斯场模长。
• 在“引力框架”中分析理论，此时希格斯场与物质场解耦，消除了导致二次发散的项。
• 应用有效场论技术计算电弱尺度下的有效势和有效顶点，包括物质圈的量子修正。
• 将共形异常视为标度对称性的软性破缺，从而在电弱尺度生成新相互作用。
• 在引力框架中构建有效SM作用量，通过仔细分析相互作用项，确保幺正性和可微分性。
• 将该框架应用于具体过程，如 $h \to \gamma\gamma$ 衰变，以检验正则化程序并预测与SM的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 希格斯自然性问题是否可在不引入电弱尺度新粒子或对称性的前提下得到解决？
• RQ2 希格斯场的共形变换是否能导致一个使希格斯质量二次发散自然抑制的参考系？
• RQ3 共形异常如何影响电弱尺度的有效理论？它们是否能生成可观测的修正？
• RQ4 与引力自然化机制相容的新物理类型有哪些？它们能否以更少的参数统一暗物质、暴胀和CP破坏？
• RQ5 $h \to \gamma\gamma$ 衰变率是否可作为引力自然化框架的精密探测工具？

主要发现

• 在引力框架中，通过特定共形变换，希格斯场与物质场解耦，使二次发散变得无害，并自然稳定希格斯质量。
• 该机制依赖于共形变换诱导的全局标度对称性，共形异常作为其软性破缺，生成电弱尺度的相互作用。
• 在电弱尺度构建的SM有效理论具有明确定义的有效势和顶点，保持幺正性和可微分性。
• 以 $h \to \gamma\gamma$ 衰变为案例研究，结果表明该框架预测与SM存在偏离，可在LHC上进行检验。
• 新物理必须为共形场论（CFT），允许存在顺序费米子世代、新规范群及SM单态，包括通过希格斯、超荷或费米子门控耦合的标量和矢量单态。
• 该模型实现了希格斯隐形衰变的最小参数化，并为暴胀和暗物质提供了参数更少的可行框架。