[论文解读] Review of Neutral Naturalness

Brian Batell, Matthew Low+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本综述系统阐述了中性自然性理论框架，这是一种基于对称性的方法，通过在离散对称性下为标准模型夸克引入无色伙伴来解决层次问题。该理论统一了希格斯自然性、暗物质、对撞机信号、宇宙学及味物理，突出双希格斯模型作为核心实现形式，在能量、强度和宇宙前沿均展现出丰富的现象学特征。

ABSTRACT

The hierarchy between the mass parameter of the Higgs boson and larger mass scales becomes ever more puzzling as experiments explore higher energies. Neutral naturalness is the umbrella term for symmetry-based explanations for these hierarchies whose quark symmetry partners are not charged under the SU(3) color gauge group of the Standard Model. Though the first manifestations of this idea predate the physics runs of the Large Hadron Collider, since the Higgs discovery this paradigm has grown and developed to include a wide variety of concrete realizations with connections to intriguing collider signals. Determining the phenomenology of such models often requires the characterization - typically relying on lattice calculations - of a new confining gauge symmetry. This presents additional motivation to further develop our understanding of nonperturbative field theory as well as to pursue specific lattice studies. The wide range of suggested hidden sectors also produces a variety of dark matter candidates, intersections with astrophysics and cosmology, and ties to neutrinos and flavor. In this review, we orient the reader within both this growing collection of specific models and the physical phenomena they produce. We also survey the often less familiar dynamics of hidden-sector glueballs and quirks. In addition to providing a guide to past efforts, we reveal interesting directions for further study.

研究动机与目标

• 系统化整理并回顾中性自然性领域的快速增长文献，该类模型通过离散对称性将标准模型场与无色伙伴联系起来，以解决层次问题。
• 识别并分析中性自然性在能量、强度和宇宙前沿的关键现象学信号。
• 探索中性自然性与粒子物理学未解问题之间的联系，包括暗物质、中微子物理、味结构以及强CP问题。
• 强调紫外完成与格点规范理论在探测这些模型中强耦合隐藏规范结构方面的作用。
• 描绘中性自然性作为简化模型基准及未来实验搜索指南的潜力。

提出的方法

• 对中性自然性模型进行系统分类，重点关注双希格斯及其变体作为典型实现形式。
• 分析涉及几TeV量级新色荷态的紫外完成，这些态对于抵消希格斯势中的二次发散至关重要。
• 应用离散 $Z_2$ 对称性将标准模型的 $SU(3)_c$ 与隐藏 sector 的 $SU(3)$ 规范群联系起来，从而产生双子或镜像粒子。
• 利用有效场论技术描述希格斯耦合、新奇衰变模式以及与暗物质 sector 的门户相互作用。
• 借助格点规范理论计算强耦合隐藏 $SU(3)$ 规范结构的非微扰性质，如束缚态谱和矩阵元。
• 探索可见与镜像 sector 中的味结构，包括自发 $Z_2$ 破解及类似 Froggatt-Nielsen 的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性自然性模型中的离散对称性如何在不引入色荷超对称伙伴的情况下实现希格斯质量的自然保护？
• RQ2 中性自然性模型中隐藏 sector 产生的主要对撞机信号是什么——例如半可见喷胶、quirks 或长寿命粒子？
• RQ3 中性自然性框架如何实现可行的暗物质候选者，包括镜像强子、轻子或类似WIMP的状态？
• RQ4 中性自然性模型在多大程度上可缓解宇宙学矛盾，如哈勃张力或21厘米吸收信号异常？
• RQ5 镜像 sector 的味结构在多大程度上可通过对称性与紫外完成与可见 sector 的可观测现象相联系？

主要发现

• 双希格斯模型仍是中性自然性最成熟的实现形式，提供了在千分之一量级微调下的希格斯自然性稳健框架。
• 中性自然性模型的紫外完成通常包含质量在几TeV量级的新色荷态，使其在未来高能对撞机中可被探测。
• 将标准模型与隐藏 $SU(3)$ 规范结构联系的离散对称性自然地产生暗物质候选者，包括镜像强子与轻子，这些可解释观测到的暗物质丰度。
• 希格斯的奇异衰变及耦合偏离——可通过未来希格斯工厂探测——为隐藏 sector 与自然性机制提供了直接窗口。
• 格点规范理论为强耦合隐藏 $SU(3)$ 规范结构提供了关键的非微扰输入，使束缚态谱与矩阵元的预测成为可能。
• 与中微子物理的联系包括通过镜像中微子衰变与共振光子转换解释 LSND/MiniBooNE 异常与 EDGES 21 厘米信号。