[论文解读] Stability and UV completion of the Standard Model

Vincenzo Branchina, Emanuele Messina|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文提出了一种标准模型的可重整化紫外完成，引入了重标量场和费米子场，以检验高能尺度的新物理是否影响电弱真空稳定性。与广泛假设的渐近自由行为相反，该研究发现此类新物理显著降低了不稳定性标度，并缩短了真空寿命，从而否定了高能物理对稳定性分析无影响的观点。

ABSTRACT

The knowledge of the stability condition of the electroweak (EW) vacuum is of the greatest importance for our understanding of beyond Standard Model (BSM) physics. It is widely believed that new physics that lives at very high energy scales should have no impact on the stability analysis. This expectation has been recently challenged, but the results were controversial as new physics was given in terms of non-renormalizable higher order operators. Here we consider for the first time a renormalizable (toy) UV completion of the SM, and definitely show that such a decoupling does not take place. This result has important phenomenological consequences, providing a very useful test for BSM theories. In particular, it shows that speculations based on the so called "criticality" do not appear to be well founded.

研究动机与目标

• 检验能量尺度远高于不稳定性标度（ϕ_inst ~ 10^11 GeV）的新物理是否影响电弱真空的稳定性。
• 挑战广泛持有的假设，即高能新物理会渐近自由化，且不影响真空稳定性计算。
• 为先前基于不可重整化高维算符的分析提供一种稳健、可重整化的替代方案。
• 基于其对真空稳定性的影响，评估新物理理论的可行性，特别是结合希格斯粒子和顶夸克质量测量结果。
• 澄清测量得到的希格斯粒子与顶夸克质量接近稳定性线的现象是否具有物理意义，还是仅是未完整包含紫外物理的产物。

提出的方法

• 通过引入一个新标量场 S 和一个新费米子场 ψ，其质量 MS 和 Mf 远大于 ϕ_inst ~ 10^11 GeV，构建标准模型的可重整化紫外完成。
• 包含可重整化相互作用：S 的四次自耦合、Higgs-S 耦合（2gS(Φ†Φ)S²）、ψ 的狄拉克质量项，以及 Φ 与 ψ 之间的 Yukawa 耦合（g_f）。
• 使用一阶量子修正，计算在这些新场存在下的有效希格斯势，包括 S 和 ψ 对希格斯四次耦合和质量的影响。
• 采用 Coleman-De Luccia instanton 方法计算真空衰变率 τ，其中不稳定性标度 ϕ_inst 定义为 V(ϕ_inst) = V(v)。
• 将紫外完成模型的稳定性相图（M_H 与 M_t 的关系）与原始标准模型进行比较，追踪不稳定性线与稳定性线的移动。
• 对两组基准参数集进行数值分析，评估真空稳定性对紫外物理参数的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量尺度远高于不稳定性标度 ϕ_inst ~ 10^11 GeV 的新物理是否会在电弱真空稳定性分析中渐近自由化？
• RQ2 与仅包含标准模型相互作用的原始标准模型相比，标准模型的完全可重整化紫外完成如何改变稳定性相图？
• RQ3 在 M_H–M_t 平面中，重标量场与费米子场的存在在多大程度上使不稳定性线与稳定性线发生偏移？
• RQ4 测量得到的希格斯粒子与顶夸克质量接近稳定性线的现象是否可靠地指示真空稳定性，还是仅是缺少紫外物理的产物？
• RQ5 即使新粒子远高于 ϕ_inst，高能尺度新物理是否仍能显著缩短真空寿命 τ？

主要发现

• 与标准模型相比，紫外完成模型中的不稳定性标度 ϕ_inst 显著降低，表明真空在更低的场值下即变得不稳定。
• 对于基准参数集 MS = 1.2 × 10^18 GeV 和 Mf = 2.4 × 10^15 GeV，真空衰变时间 τ 降低至 ~10^180 T_U，远短于标准模型的 τ ~ 10^600 T_U。
• 在某些参数选择下，实验点（MH ≈ 125.09 GeV，Mt ≈ 173.34 GeV）落入不稳定性区域，使得该模型作为紫外完成不可行。
• 由于紫外完成的存在，M_H–M_t 平面中的稳定与不稳定性线均发生下移，意味着真空稳定性低于仅由标准模型预测的结果。
• 高能尺度新物理的存在可显著改变真空稳定性条件，从而否定了在 >> ϕ_inst 尺度下渐近自由化的假设。
• 基于实验点接近稳定性线的“临界性”推测是不成立的，因为这种接近程度高度依赖于标准模型未包含的紫外物理。