[论文解读] Hierarchy Problem and a new Bound State

C.D. Froggatt, H. B. Nielsen|ArXiv.org|Dec 16, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 13

一句话总结

本文提出了一种无需超对称性的标准模型层级问题解决方案，通过多重点原理假设存在三个简并的真空中态，其宇宙学常数为零。该模型提出六只顶夸克与六只反顶夸克通过希格斯玻色子交换形成束缚态，该束缚态在某一真空中凝聚，动态生成电弱尺度，并通过接近实验值的对数比值重现了电弱尺度与普朗克尺度之间的观测层级关系。

ABSTRACT

Instead of solving the fine-tuning problems by some automatic method or by cancelling the quadratic divergencies in the hierarchy problem by a symmetry (such as SUSY), we rather propose to look for a unification of the different fine-tuning problems. Our unified fine-tuning postulate is the so-called Multiple Point Principle, according to which there exist many vacuum states with approximately the same energy density (cosmological constant). Our main point here is to suggest a scenario, using only the pure Standard Model, in which an exponentially large ratio of the electroweak scale to the Planck scale results. This huge scale ratio occurs due to the required degeneracy of three suggested vacuum states. The scenario is built on the hypothesis that a bound state formed from 6 top and 6 anti-top quarks, held together mainly by Higgs particle exchange, is so strongly bound that it can become tachyonic and condense in one of the three suggested vacua. If we live in this vacuum, the new bound state would be seen via its mixing with the Higgs particle. It would have essentially the same decay branching ratios as a Higgs particle of the same mass, but the total lifetime and production rate would deviate from those of a genuine Higgs particle. Possible effects on the rho parameter are discussed.

研究动机与目标

• 在不依赖超对称性或裸参数微调的前提下，解决标准模型中的层级问题。
• 通过单一原理——真空中简并，统一多个微调问题，尤其是层级问题与宇宙学常数问题。
• 通过强束缚的六顶夸克态的动力学，解释电弱尺度与普朗克尺度之间巨大的比值。
• 预测由与快子束缚态混合而产生的新类希格斯粒子的可观测信号，该信号可在大型强子对撞机（LHC）上探测到。

提出的方法

• 假设多重点原理：存在三个能量密度近似相等的真空中态（宇宙学常数为零）。
• 假设纯标准模型在普朗克尺度以下有效，仅在跷跷板尺度有微小修正。
• 引入由六只顶夸克与六只反顶夸克组成的束缚态，主要通过希格斯玻色子交换结合自洽的自举相互作用而束缚。
• 利用顶夸克汤川耦合的跑动，将其在电弱尺度（≈1.3）的值与基本尺度（≈0.4）的值联系起来，暗示存在巨大层级。
• 将该束缚态的真空中凝聚建模为相变过程，物理真空中态即为该束缚态发生凝聚的真空中态。
• 计算该束缚态与标准模型希格斯玻色子之间的混合，导致两个物理上类希格斯的态，其分支比相同但总宽度与产生截面被修改。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过强制真空中简并，在不依赖超对称性的前提下解决层级问题？
• RQ2 强束缚的六顶夸克态是否能自然地从普朗克尺度生成电弱尺度？
• RQ3 顶夸克汤川耦合的观测值是否可解释为涉及束缚态凝聚的相变临界耦合？
• RQ4 真空中与新束缚态混合的类希格斯粒子具有何种现象学信号？
• RQ5 此类束缚态的存在如何影响ρ参数及其他精确电弱可观测量？

主要发现

• 该模型预测顶夸克汤川耦合在电弱尺度约为1.3，在基本尺度约为0.4，与生成层级所需的跑动一致。
• 电弱尺度与普朗克尺度比值的对数预测约为34，与模型近似下的实验值相符。
• 通过标准模型希格斯与六顶夸克束缚态的混合，出现一种新类希格斯粒子，其衰变分支比相同，但总宽度与产生截面被修改。
• 该束缚态被预测为快子态，并在真空中凝聚，最可能的情况是我们所处的真空中态即为该凝聚发生的真空中态。
• 该模型预测一个独特信号：两个类希格斯态对上型与下型夸克的耦合比完全相同，与超对称的双希格斯双重态模型不同。
• 该情景得到支持，因为预测的临界汤川耦合与实验测得的顶夸克汤川耦合值在模型误差范围内一致。