[论文解读] Vacuum energy, Standard Model physics and the $750\; m{GeV}$ Diphoton Excess at the LHC

Alexander Yu. Kamenshchik, Alexei A. Starobinsky+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 7

一句话总结

本文研究了LHC中观测到的750 GeV二光子共振态是否可以通过要求其一阶量子真空能贡献相互抵消，从而与有限且可忽略的宇宙学常数相容。利用量子场论推导出的求和规则，表明此类抵消要求存在新的、最小的粒子内容——具体而言，需额外的重费米子和玻色子，其质量与自由度受真空能有限性约束，具体取决于该共振态是标量、复合费米子-反费米子态还是自旋-2粒子。

ABSTRACT

The conditions for the cancellation of one loop contributions to vacuum energy (both U.V. divergent and finite) coming from the known (Standard Model) fields and the field associated with the hypothetical 750 Gev diphoton excess are examined. Depending on the nature of this latter resonance we find that in order to satisfy the constraints (sum rules) different additional, minimal field contributions are required, leading to yet to be observed particles.

研究动机与目标

• 通过要求其一阶真空能贡献相互抵消，确定750 GeV二光子过剩是否可与有限且可忽略的宇宙学常数相容。
• 推导量子场论中一阶微扰下真空能抵消的求和规则，并将其应用于标准模型及假设的新粒子。
• 识别可实现真空能贡献抵消的最小且一致的粒子内容（玻色子与费米子），确保与观测到的粒子质量及对称性相容。
• 探讨750 GeV共振态的性质——标量、复合费米子对或自旋-2粒子——如何影响所需的新物理谱。
• 在有效场论与耦合引力的量子场论框架下，评估此类新粒子的可行性，假设超对称性被打破但关键抵消关系得以保留。

提出的方法

• 推导闵可夫斯基时空与德西特时空下，标量、费米子与自旋-2场的一阶真空能求和规则，要求紫外发散与有限部分均被抵消。
• 将先前工作[4,5]中的求和规则应用于假设的750 GeV共振态，将其质量视为有效作用量中的物理、重正化质量。
• 施加约束条件：共振态与所有新场的总真空能贡献必须为零或可忽略，从而导出粒子质量与自由度之间的方程。
• 针对不同共振态假设（标量、复合费米子-反费米子态、自旋-2粒子）求解所得方程组。
• 采用泡利-维拉斯正则化与重正化框架处理发散，确保真空能有限且与引力相容。
• 考虑通过添加新重场（费米子与玻色子）对标准模型的最小扩展，其量子数与质量受求和规则约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV二光子共振态是否可被一致地嵌入一个真空能保持有限且可忽略的量子场论框架中？
• RQ2 为抵消750 GeV共振态的真空能贡献，所需的新粒子（玻色子与费米子）的最小集合是什么？
• RQ3 所需新粒子的质量与自由度如何依赖于750 GeV共振态的自旋与复合性质？
• RQ4 是否仅通过一个或两个额外的重费米子即可实现真空能抵消，还是需要更多场？
• RQ5 若假设超对称性被打破，对750 GeV态的真空能抵消可行性有何影响？

主要发现

• 若750 GeV共振态为标量，则最小粒子内容要求：质量在[1022, 1196] GeV之间的有色夸克（12个玻色子自由度），或质量在[1062, 1178] GeV之间的狄拉克费米子（4个玻色子自由度），或质量为1146 GeV的马约拉纳费米子（2个标量自由度）。
• 对于由两个375 GeV费米子组成的复合750 GeV共振态，最小解要求：一个额外的无色费米子与至少5个玻色子自由度，或一个额外的有色夸克与至少13个玻色子自由度。
• 对于750 GeV的自旋-2共振态，仅使用一个或两个额外的重费米子与更重的玻色子多重态时，未找到可行解，表明需更复杂的新型物理。
• 所需新费米子的质量通常高于1000 GeV，相应玻色子伙伴的质量被严格限制在特定区间以满足求和规则。
• 标准模型场的真空能有限部分无法仅通过添加玻色子来抵消；必须引入重费米子才能实现抵消，与先前结果[5]一致。
• 分析表明，若观测到的750 GeV二光子过剩真实存在，则意味着存在超出标准模型的新重粒子，其质量与量子数由真空能有限性严格约束。