[论文解读] The Higgs vacuum is unstable

Archil Kobakhidze, Alexander Spencer-Smith|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 48

一句话总结

本文通过高精度的重整化群计算表明，标准模型的希格斯真空是不稳定的，其临界不稳定性标度为 Λ_I ≈ 10^9 GeV。结合BICEP2对原初引力波的探测结果，表明暴胀能量标度极高（约 10^14 GeV），希格斯真空在暴胀期间会迅速衰变，导致黑洞坍缩——强烈暗示在低于 10^9 GeV 的能量下，必须存在超出标准模型的新物理来稳定真空。

ABSTRACT

So far, the experiments at the Large Hadron Collider (LHC) have shown no sign of new physics beyond the Standard Model. Assuming the Standard Model is correct at presently available energies, we can accurately extrapolate the theory to higher energies in order to verify its validity. Here we report the results of new high precision calculations which show that absolute stability of the Higgs vacuum state is now excluded. Combining these new results with the recent observation of primordial gravitational waves by the BICEP Collaboration, we find that the Higgs vacuum state would have quickly decayed during cosmic inflation, leading to a catastrophic collapse of the universe into a black hole. Thus, we are driven to the conclusion that there must be some new physics beyond the Standard Model at energies below the instability scale $Λ_I \sim 10^{9}$ GeV, which is responsible for the stabilisation of the Higgs vacuum.

研究动机与目标

• 通过改进标准模型耦合常数的重整化群演化，确定电弱希格斯真空的稳定性。
• 评估观测到的希格斯玻色子质量与顶夸克质量是否与真空长期稳定性一致。
• 评估真空衰变在宇宙暴胀期间的宇宙学后果，特别是高能暴胀条件下的情形。
• 建立强有力的论据，证明必须存在超出标准模型的新物理，以在高能下稳定希格斯势。

提出的方法

• 采用混合重整化方案，结合质量依赖的一圈β函数与MS-bar的二圈和三圈β函数，以提高阈值匹配的精度。
• 使用更新的实验输入计算希格斯自耦合常数 λ(μ)：M_h = 125.9 ± 0.4 GeV，M_t = 173.34 ± 0.82 GeV，以及 α₃(M_Z)。
• 应用一环阈值修正，严格保持规范不变性，并正确处理粒子质量阈值处的虚部。
• 使用Coleman–De Luccia瞬子机制来建模暴胀期间de Sitter空间中的真空衰变。
• 通过表达式 p ≈ N_e^4 exp(π²β̄_λ Λ_I⁴ / (2e H_inf⁴)) 评估衰变概率，其中 H_inf ≈ 10^14 GeV 来自BICEP2数据。
• 通过分析时间 τ 后仍处于暴胀状态的宇宙比例，评估暴胀的全局稳定性，表明暴胀不可能是永恒的。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验输入下，标准模型的电弱希格斯真空在高能下是否真正稳定？
• RQ2 当包含高阶修正和改进的阈值匹配时，希格斯势的精确不稳定性标度 Λ_I 是多少？
• RQ3 BICEP2观测到的原初引力波信号是否意味着高能暴胀标度，从而触发灾难性的希格斯真空衰变？
• RQ4 希格斯真空在暴胀期间的快速衰变是否排除了标准模型作为自然完整理论的可能性？
• RQ5 需要何种尺度的新物理来稳定希格斯真空？这类新物理可能在何处被探测到？

主要发现

• 基于改进的一圈阈值匹配和高精度耦合常数，希格斯真空不稳定，其临界不稳定性标度为 Λ_I ≈ 10^9 GeV。
• 为避免真空衰变，顶夸克质量必须小于 170.54 GeV，这比实验值 173.34 ± 0.82 GeV 低 3.4σ。
• BICEP2对原初张量模式的测量表明暴胀哈勃标度 H_inf ≈ 10^14 GeV，导致衰变概率 p ≈ N_e^4 ≫ 1。
• 真空衰变在暴胀期间如此迅速，以至于在约 1.4 个哈勃时间之内就会在全球范围内中止暴胀，从而排除了永恒暴胀的可能性。
• 真空不稳定性与高能暴胀标度的结合表明，标准模型不可能是完整的理论，必须在低于 Λ_I ≈ 10^9 GeV 的能量下存在新物理。
• 由于Coleman–de Luccia衰变速度过快，大质量希格斯有效质量或希格斯驱动暴胀的场景被排除。