[论文解读] Stability of the EW vacuum, Higgs boson, and new physics

Vincenzo Branchina|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文表明，普朗克尺度的新物理相互作用可极大地缩短电弱真空的寿命，挑战了长期以来认为此类效应可忽略的假设。与以往观点相反，标准模型的稳定性相图对新物理极为敏感，高维算符如 $\phi^6$ 和 $\phi^8$ 将真空寿命从 $10^{555}T_U$ 缩短至 $10^{-208}T_U$，从而否定了基于未修正势能的结论。

ABSTRACT

The possibility that the Standard Model (SM) is valid up to the Planck scale $M_P$, i.e. that new physics occurs only around $M_P$, is nowadays largely explored. For a metastable EW vacuum, we show that new physics interactions can have a great impact on its lifetime, and, differently from previous analyses, they cannot be neglected. Therefore, contrary to usual believes, the stability phase diagram of the SM depends on new physics. This has far reaching consequences. Beyond SM theories can be tested against their prediction for the stability of the EW vacuum. Moreover, despite of some recent claims, higher precision measurements of the top and Higgs masses cannot provide any definite answer on the SM stability properties. Finally, doubts on Higgs inflation scenarios, all based on results obtained neglecting new physics interactions, are also cast.

研究动机与目标

• 挑战普朗克尺度新物理对电弱真空稳定性影响可忽略的假设。
• 研究高维算符如何修改标准模型中 bounce 解与真空衰变速率。
• 在引入新物理相互作用时，重新评估 $M_H$-$M_t$ 平面中稳定性相图的有效性。
• 检验希格斯 inflation 与近临界性情景在引入普朗克尺度新物理时的鲁棒性。
• 基于真空寿命约束，建立新的 BSM 稳定性检验方法。

提出的方法

• 本文通过计算隧穿率 $\Gamma = 1/\tau$，利用希格斯有效势的欧几里得运动方程的 bounce 解。
• 引入高维算符 $\phi^6$ 与 $\phi^8$，系数分别为 $\lambda_6 = -2$、$\lambda_8 = 2.1$，以模拟普朗克尺度的新物理效应。
• 通过数值方法评估 bounce 解的作用 $S[\phi_b]$，其中 $S[\phi_b^{(1)}] \sim 1833$ 与 $S[\phi_b^{(2)}] \sim 82$。
• 通过函数行列式方法引入涨落行列式与一阶量子修正 $\Delta S_i$，以更精确地计算衰变速率。
• 分别计算包含与不包含新物理时的寿命，比较 $\tau_0 \sim 10^{555}T_U$ 与 $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$。
• 利用幂计数论证表明，非微扰效应在选择 bounce 解时主导于微扰修正的抑制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 普朗克尺度的新物理相互作用如何影响电弱真空的稳定性？
• RQ2 在模型中引入高维算符如 $\phi^6$ 与 $\phi^8$ 是否会显著改变真空衰变速率？
• RQ3 当引入新物理时，$M_H$-$M_t$ 平面中的标准稳定性相图是否仍然有效？
• RQ4 希格斯 inflation 情景与近临界性假设在引入普朗克尺度新物理时是否依然稳健？
• RQ5 仅凭对顶夸克与希格斯玻色子质量的精确测量，能否确定标准模型真空稳定性的状态？

主要发现

• 普朗克尺度的新物理相互作用可使电弱真空寿命从 $\tau_0 \sim 10^{555}T_U$ 缩短至 $\tau_{np} \sim 10^{-208}T_U$，缩短超过 760 个数量级。
• 衰变速率的主要贡献来自 bounce 解 $\phi_b^{(2)}$，而该解在忽略新物理相互作用时会被遗漏。
• 包含一阶量子修正 $\Delta S_i$ 后，结果变化不大，此时 $\tau_{np} \sim 10^{-189}T_U$。
• 标准假设认为普朗克尺度新物理效应可忽略，但该假设在真空稳定性问题中不成立，因为非微扰效应占主导。
• 标准模型的稳定性相图并非普适，而是依赖于新物理的具体形式，因此基于未修正势能的先前结论被推翻。
• 希格斯 inflation 情景与近临界性主张受到强烈挑战，因为它们依赖于此类新物理相互作用不存在的假设。