[论文解读] Stabilizing the electroweak vacuum by higher dimensional operators in a Higgs-Yukawa model

Prasad Hegde, Karl Jansen+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文研究了在希格斯-约盖模型中通过引入维度6的$(\phi^\dagger\phi)^3$算符来稳定电弱真空的可能性，该算符作为高维有效相互作用发挥作用。利用格点模拟和微扰计算，结果表明，即使四次耦合变为负值，该项也能使希格斯玻色子质量显著降低至126 GeV，而不会引发一级相变，从而扩展了标准模型的稳定性范围。

ABSTRACT

The Higgs boson discovery at the LHC with a mass of approximately 126 GeV suggests, that the electroweak vacuum of the standard model may be metastable at very high energies. However, any new physics beyond the standard model can change this picture. We want to address this important question within a lattice Higgs-Yukawa model as the limit of the standard model (SM). In this framework we will probe the effect of a higher dimensional operator for which we take a $(ϕ^{\dagger}ϕ)^3$-term. Such a term could easily originate as a remnant of physics beyond the SM at very large scales. As a first step we investigate the phase diagram of the model including such a $(ϕ^{\dagger}ϕ)^3$ operator. Exploratory results suggest the existence of regions in parameter space where first order transitions turn to second order ones, indicating the existence of a tri-critical line. We will explore the phase structure and the consequences for the stability of the SM, both analytically by investigating the constraint effective potential in lattice perturbation theory, and by studying the system non-perturbatively using lattice simulations.

研究动机与目标

• 研究高维算符（特别是$(\phi^\dagger\phi)^3$项）是否能在四次耦合$\lambda$变为负值时，稳定标准模型中的电弱真空。
• 通过非微扰格点模拟，绘制包含维度6算符的希格斯-约盖模型的相结构。
• 确定添加此类算符是否允许希格斯玻色子质量下限降低，同时避免导致理论不一致的一级相变。
• 将微扰约束有效势计算结果与非微扰格点结果进行比较，以验证相图与真空稳定性。
• 评估126 GeV的希格斯玻色子质量在此扩展模型框架下的可行性。

提出的方法

• 本研究采用具有手征对称性实现的动态重叠费米子的格点正则化希格斯-约盖模型。
• 在标量势中加入维度6算符$\lambda_6 (\phi^\dagger\phi)^3$，以在四次耦合$\lambda$为负时仍能稳定有效势。
• 使用多项式混合蒙特卡罗算法在$12^3 \times 24$及更大格点上进行非微扰模拟，以探测相结构。
• 从模拟数据中计算约束有效势（CEP），以提取希格斯玻色子质量并识别相变。
• 使用格点微扰理论对CEP进行微扰计算，以与非微扰结果进行对比。
• 通过蒙特卡罗时间序列中的亚稳磁化率轨迹识别一级相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 当四次耦合$\lambda$变为负值时，引入$(\phi^\dagger\phi)^3$算符是否能稳定电弱真空？
• RQ2 添加$\lambda_6 (\phi^\dagger\phi)^3$后，希格斯-约盖模型的相图如何变化，特别是对称相到破缺相变的性质如何改变？
• RQ3 该维度6算符的存在是否允许希格斯玻色子质量低于标准模型的下限，同时与观测到的126 GeV质量保持一致？
• RQ4 格点模拟结果与微扰计算的约束有效势结果在多大程度上一致？
• RQ5 为保持真空稳定并避免一级相变，$\lambda_6$耦合强度的范围是什么？

主要发现

• 当$\lambda_6 = 0.1$时，即使四次耦合$\lambda$为负，希格斯玻色子质量仍可降低至126 GeV，且不会引发一级相变。
• 引入$(\phi^\dagger\phi)^3$项可稳定有效势，使系统在低能下即使$\lambda$为负也能保持在亚稳真空中。
• 格点模拟与微扰CEP计算在$\lambda_6 = 0.1$时结果吻合良好，而在$\lambda_6 = 1$时仅显示定性一致，表明在大耦合时微扰控制能力有限。
• 相图中可能存在一条三临界线，随着$\lambda_6$增大，一级相变逐渐转变为二级相变。
• 希格斯质量降低效应在无限体积极限下依然存在，经$96^3 \times 192$格点模拟验证，表明该效应并非有限尺寸效应。
• 当$\lambda_6 \gtrsim 1$时，行为对截断尺度变得敏感，新一级相变的出现或对$\lambda_6$的约束仍为开放问题。