[论文解读] Towards a Higgs mass determination in asymptotically safe gravity with a dark portal

Astrid Eichhorn, Martin Pauly+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 229被引用 27

一句话总结

本文提出一个简化模型，通过希格斯门道与量子引力的渐近安全机制，将一个暗标量和费米子耦合，以从第一原理预测希格斯玻色子质量。通过利用渐近安全机制，由自发对称性破缺实现的暗 sector 唯一道自由参数，通过树图混合显著降低希格斯质量，成功将理论预测与观测到的125 GeV希格斯质量相协调。

ABSTRACT

There are indications that an asymptotically safe UV completion of the Standard Model with gravity could constrain the Higgs self-coupling, resulting in a prediction of the Higgs mass close to the vacuum stability bound in the Standard Model. The predicted value depends on the top quark mass and comes out somewhat higher than the experimental value if the current central value for the top quark mass is assumed. Beyond the Standard Model, the predicted value also depends on dark fields coupled through a Higgs portal. Here we study the Higgs self-coupling in a toy model of the Standard Model with quantum gravity that we extend by a dark scalar and fermion. Within the approximations used in arXiv:2005.03661 , there is a single free parameter in the asymptotically safe dark sector, as a function of which the predicted (toy model) Higgs mass can be lowered due to mixing effects if the dark sector undergoes spontaneous symmetry breaking.

研究动机与目标

• 探讨量子引力中的渐近安全性是否能够在一个包含暗门道的紫外完备标准模型扩展中预测希格斯质量。
• 研究通过希格斯门道耦合的暗标量与费米子场，如何在渐近安全条件下影响希格斯质量的预测。
• 确定暗 sector 中的自发对称性破缺是否能显著降低预测的希格斯质量，以匹配观测到的125 GeV值。
• 评估该模型是否能同时提供一个可行的暗物质候选者，且满足宇宙学约束。
• 评估渐近安全性在减少新物理模型参数空间方面相较于有效场论方法的预测能力。

提出的方法

• 使用功能型重整化群（FRG）方法，研究从紫外固定点到红外区的耦合的RG流。
• 引入一个简化模型，包含一个实标量（希格斯）、一个费米子（顶夸克类比）、一个暗标量和一个暗费米子，所有粒子均通过希格斯门道和Yukawa相互作用耦合。
• 通过要求所有β函数在紫外固定点处为零，施加渐近安全性，将暗 sector 简化为单一道自由参数。
• 执行固定Yukawa扫描，以隔离暗 sector 对希格斯质量的影响，同时保持可见 sector 的Yukawa耦合常数不变。
• 分析可见标量与暗标量之间树图混合对物理希格斯质量的影响，特别是当暗标量发生自发对称性破缺时。
• 评估宇宙学约束，包括大爆炸核合成（BBN）对相对论自由度的限制以及暗物质丰度，以检验模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含暗门道的紫外完备标准模型中，量子引力的渐近安全性是否能够预测希格斯质量？
• RQ2 在渐近安全条件下，包含暗标量与费米子场的引入如何影响希格斯质量的预测？
• RQ3 暗 sector 中的自发对称性破缺在修正希格斯质量预测中起到何种作用？
• RQ4 该模型是否能同时预测125 GeV的希格斯质量并提供一个可行的暗物质候选者？
• RQ5 与有效场论方法相比，渐近安全性在多大程度上减少了新物理模型的参数空间？

主要发现

• 在使用顶夸克质量的中心值时，仅包含标准模型的渐近安全模型所预测的希格斯质量超过观测到的125 GeV。
• 暗标量场中的自发对称性破缺导致与希格斯玻色子发生显著的树图混合，从而可将预测的希格斯质量降低至与观测值一致。
• 若无暗 sector 的对称性破缺，对希格斯质量的修正可忽略不计，表明SSB对产生显著效应至关重要。
• 由渐近安全性导出的暗 sector 唯一道自由参数，可通过微调重现观测到的125 GeV希格斯质量。
• 暗费米子在暗标量发生自发对称性破缺后获得质量，并成为稳定、具有有限丰度的暗物质候选者，与BBN约束一致。
• 该模型满足宇宙学约束：暗标量不稳定（丰度为零），且暗费米子的相对论自由度未导致宇宙闭合。