[论文解读] Is there a new physics between electroweak and Planck scales?

Mikhail Shaposhnikov|ArXiv.org|Aug 27, 2007

Computational Physics and Python Applications被引用 61

一句话总结

该论文提出对标准模型的最小扩展——νMSM——在电弱尺度与普朗克尺度之间不引入任何新的能量尺度，即可解释中微子质量、暗物质、重子不对称性以及暴胀。该模型预测希格斯玻色子质量在129–189 GeV范围内，惰性中微子暗物质可能在几keV处产生X射线谱线，且在大型强子对撞机（LHC）或国际线性对撞机（ILC）中无新物理信号，为粒子物理与天体物理提供了可检验的预言。

ABSTRACT

We argue that there may be no intermediate particle physics energy scale between the Planck mass $M_{Pl}\sim 10^{19}$ GeV and the electroweak scale $M_W \sim 100$ GeV. At the same time, the number of problems of the Standard Model (neutrino masses and oscillations, dark matter, baryon asymmetry of the Universe, strong CP-problem, gauge coupling unification, inflation) could find their solution at $M_{Pl}$ or $M_W$. The crucial experimental predictions of this point of view are outlined.

研究动机与目标

• 论证在电弱尺度与普朗克尺度之间不存在新的能量尺度，挑战标准假设的中间物理存在。
• 在一个统一框架内解决标准模型的多个未解问题——中微子质量、暗物质、重子不对称性、强CP问题以及暴胀。
• 提出标准模型的最小扩展（νMSM），避免微调，并仅引入一个基本能量尺度。
• 为未来实验（包括LHC、ILC、X射线望远镜及中微子衰变搜索）识别可检验的预言。
• 通过表明统一可在普朗克尺度发生，挑战规范耦合统一或大统一理论的必要性。

提出的方法

• 通过引入三个右手中微子（惰性态）和一个轻的暴胀子场，扩展标准模型，形成νMSM。
• 利用惰性中微子的马约拉那质量项通过跷跷板机制生成小的活性中微子质量，公式为 $ m_\nu \sim v^2 / M_{\text{Pl}} $。
• 通过重惰性中微子的CP破坏衰变至活性中微子和希格斯玻色子实现轻子生成，从而产生重子不对称性。
• 引入一个质量低于电弱尺度的标量单重态（暴胀子），驱动暴胀，并在再加热后衰变为标准模型粒子。
• 通过普朗克尺度抑制高维算符，确保标准模型在 $ M_{\text{Pl}} $ 量级仍有效，前提是希格斯质量位于129–189 GeV窗口内。
• 利用轻子数对称性保护惰性中微子的小质量，避免微调。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不引入电弱尺度与普朗克尺度之间新能量尺度的前提下，解决标准模型的所有未解问题？
• RQ2 当希格斯玻色子质量位于129–189 GeV范围内时，标准模型是否可作为至普朗克尺度的一致有效场论？
• RQ3 惰性中微子能否同时作为暗物质并作为通过轻子生成机制产生重子不对称性的来源？
• RQ4 能否通过一个轻的标量单重态驱动暴胀，而无需在高能尺度引入新物理？
• RQ5 νMSM的可观测信号有哪些，可在LHC、ILC或X射线望远镜中被检验？

主要发现

• 为使标准模型在至普朗克尺度范围内保持一致的有效场论，希格斯玻色子质量必须位于 $ 129 \, \text{GeV} < M_H < 189 \, \text{GeV} $ 范围内。
• 质量在几keV范围的惰性中微子暗物质可能在 $ \sim 3.5 \, \text{keV} $ 处产生一条窄X射线谱线，可被X射线望远镜探测。
• νMSM预测在LHC或ILC中无新物理信号，且在129–189 GeV窗口内唯一预期的新粒子为希格斯玻色子。
• 电子中微子的马约拉那质量被限制在 $ m_{ee} \leq 0.05 \, \text{eV} $，与当前无中微子双贝塔衰变搜索的限制一致。
• 该模型预测存在两个几乎简并、弱耦合的惰性中微子，质量 $ \lesssim 1 \, \text{GeV} $，可能在稀有介子或 $ \tau $-轻子衰变中被探测。
• 宇宙的重子不对称性可通过重惰性中微子的CP破坏衰变生成，其符号与大小由模型唯一确定。