8 July 2013 @ YITP-­‐PH (Kyoto)
階層性問題と 126GeV ヒッグス(真空の安定性)が 示唆するプランクスケールの物理 磯 暁 (KEK, 総研大) based on collabora3ons with Y.Orikasa (Osaka) PTEP 2013,023B08, arXiv:1304.0293 N.Okada (Alabama), Y.Orikasa (Osaka) Phy.LeE.B276(2009)81, Phys.Rev. D80 (2009) 115007 Phys.Rev. D83 (2011) 093011 1
地球上で起こった「生命の大絶滅」
三葉虫の時代
恐竜の時代 哺乳類の時代
大絶滅の後は 適応放散が 起こり 種が増大する
Mass Ex'nc'ons in the Marine Fossil Record David M. Raup; J. John Sepkoski Science, Vol. 215, No. 4539. (1982), pp. 1501-­‐1503
高エネ加速器セミナ(磯 暁)
素粒子物理の発展
u,d,s e,µ,ν
photon
古生代(三葉虫の時代)
標準模型の提唱
1970
GUT SUSY
繰込みOK
小林益川 c 1974 中性カレント
τ 75
b 78
1978 Tokyo conf 漸近自由性
1980
73
gluon 79
(標準模型の確立)
83 W, Z bosons
STRING I
1990
STRING II
中生代 (恐竜の時代)
2000
ゲージ相互作用
top 94
ー
プロトン崩壊 暗 暗 LEP精密測定 黒 黒 フレーバ物理
物
質
CKM & CP
LEP SLC 超精密測定
新生代?
ー
2010
振
動
2012  LHC 2013 高エネ加速器セミナ(磯 暁)
Planck Higgs
3 major hints towards the physics beyond SM (1) Higgs mass at “126 GeV” (2) No devia3on from SM Higgs decay Flavor physics: LHCb, B-­‐factory, MEG e.g. Br(Bs à μμ) = 3.2 +1.5 -­‐1.2×10-­‐9 真実を惑わす異常性の消滅
which is consistent with SM (3.2±0.2)×10-­‐9. (3) But we also know that SM is not sufficient to explain neutrino oscilla3on Baryon asymmetry dark maher (also a big hint from Cosmology) 4
自然は思っているより単純 謎の所在が確定
これから何を拠り所にしたらよいのか? これまでは何を拠り所にしてきたのか?
5
Most inves3ga3ons of physics beyond the SM have been based on “the central dogma” of par3cle physics GUT à hierarchy problem à TeV SUSY etc. i.e. Unifica3on below the Planck scale requires large symmetry enhancement at TeV scale. 見直すべき事項 It m
e a good 3me to reconsider the basic ・ ay GbUTとプランクスケールの関係 strategy (central dogma) toward the physics BSM. ・ 階層性問題 ・ 弦のコンパクト化の問題
6
今後への手がかり その1 階層性問題
Hierarchy problem 7
よく言われることは 「スカラー場は2次発散 → 階層性問題」 この言い方は正確か?
Naturalness (Hierarchy problem)
Quadra3c divergence in Higgs mass term
Cancella3on of Quadra3c divergence (supersymmetry etc.)
Bardeen (1995 @ Ontake summer school)
(最初に)2次発散に疑問を呈したのは Bardeen (SMの古典的スケール不変性に注目) ここで問題にしたいこと 2次発散や4次発散は、 どのような意味で実体を持つのか? → 階層性問題をより正確に定式化する必要性 Are power divergences physically meaningful?
1の発散は場の理論的に 1と3は混同しやすいが、 There are 3 different types of divergences 意味がないのではないか。
厳然と区別する必要あり
1. Power divergences Λ2 , Λ4 2. Logarithmic divergences m2 log Λ, m4 log Λ 3. Logarithmic but looks like quadra3c M2 log Λ, M4 log Λ m << M Scale in “physical scale” in Low energy physics High energy physics
10
Power発散に物理的実体がないと考える理由 1.単に subtract 可能 mul3plica3ve に処理する対数発散とは全く意味が異なる 2 ウイルソン流の繰り込み H.Aoki, SI (2012) 意味があるのは臨界面からの距離(対数発散)であり、 臨界面そのものの位置(2次発散)は意味がない Λ4項は w=1/3 (一般座標不変でありえない) 3 曲がった時空でのEMテンソル計算 m4 log Λ 項が w=-­‐1 になり共変な power 発散は一般座標不変ではない gμν に比例するEMテンソルを与える 例: エネルギー密度 ~ dk ω k2 ω2=(k2+m2) 圧力密度 ~ dk k4/3ω これを展開して m4 log Λ を求めると確かに、w=-­‐1 11
(1)  Quadra3c divergence can be simply subtracted, so it gives a boundary condi3on at UV cut off Λ. à If massless at Λ, it con3nues to be so in the IR theory.
(2) Logarithmic divergence gives a mul3plica3ve renormaliza3on. No Higgs mass term is generated if it is absent at UV scale. (3) If SM is coupled with a massive par3cle with mass M, logarithmic divergences give a correc3on to m as /M2)
12
In order to solve the “hierarchy problem” without a special cancella3on like supersymmetry, we need to control (a) “quadra3c divergence” à correct boundary condi3on at Planck The most natural b.c. is NO MASS TERMS at Planck ( = classical conformal invariance) (b) “large logarithmic divergence” by mixing with a large mass M No intermediate scales between EW (or TeV) and Planck “Classical conformal theory with no intermediate scale” can be an alterna3ve solu3on to hierarchy problem. Bardeen (95) Shaposhnikov (07) Meissner Nicolai (07) SI, Okada,Orikasa (09)13
今後への手がかり その2 真空の安定性
Stability of Vacuum
126 GeV から得られる大きな手がかり
14
Another Hint of 126 GeV Higgs mass is Stability bound of the Higgs quar3c coupling
15
RGE improved effec3ve poten3al for large field (h >> v)
RGE @1-­‐loop
Already known
It is related to Higgs mass as Higgs mass controls the behavior of Higgs poten3al at large values of h.
This gives two bounds for Higgs mass (1) The quar3c coupling does not blow up un3l UV cut-­‐off. M < 180 GeV (triviality bound) (2) The quar3c coupling does not become nega3ve un3l UV cut-­‐off. (Stability bound) 125
M = 125 GeV Higgs is very close to the stability bound.
16
Why stability bound is important for Planck scale physics?
New physics at 1012 GeV is necessary to stabilize the vacuum
Flat Higgs poten3al at Planck scale
very sensi3ve to top quark mass
Elias-­‐Miro et.al.(12) Alkhin, Djouadi, Moch (12) 17
If this is the case ?
Direct window to Planck scale Froggah Nielsen (96) M.Shaposhnikov (07) 18
Emergence of Higgs poten3al
at the Planck scale
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Indica3on on the Higgs poten3al
Hierarchy Stability (classical conformality) vanish at Planck LHC data implies that Higgs has a flat poten3al V(H)=0 at Planck.
LHCの結果が示唆すること プランクスケールでヒッグスポテンシャルは平坦
20
How can we achieve EW symmetry breaking from V(H)=0 poten3al at Planck?
Everything should be radia3vely generated.
電弱理論のダイナミクスは全てが輻射補正
21
Two mechanisms of symmetry breaking
(1)SSB by nega3ve mass term
(2)Coleman-­‐Weinberg mechanism (radia3ve breaking)
tree 1-­‐loop Higgs mass is given by 22
(2’) RG improved CW mechanisms Coleman-­‐Weinberg radia3ve breaking
Symmetry is broken near the scale where the running coupling crosses zero. Posi3ve beta func3on
Dimensional transmuta3on
cf. Dimensional transmuta3on in QCD
23
But CW does not work in SM. the large top Yukawa coupling invalidates the CW mechanism
Extension of SM is necessary ! Meissner Nicolai (07)
(B-­‐L) extension of SM with flat Higgs poten3al at Planck SM
“Occam’s razor” scenario B-­‐L sector ・U(1)B-­‐L gauge ・SM singlet scalar φ ・Right-­‐handed ν
N Okada, Y Orikasa, & SI 0902.4050 (PLB) 0909.0128 (PRD) 1011.4769 (PRD) 1210.2848(PTEP) that can explain ・ 126 GeV Higgs ・ hierarchy problem ・ ν oscilla3on, baryon asymmetry 24
How about EWSB ? Interes3ng proposal by E.J.Chun,S.Jung, H.M.Lee Φ4
classically conformal
126 GeV
key to relate EW and TeV
Can the small scalar mixing be realized naturally?
YES
Radia3vely generated scalar mixing λmix in V(H) à EWSB
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Running of Scalar mixing
small nega3ve この模型の面白い点 B-­‐L の破れのスケールが、電弱破れのスケールと ダイナミカルに関係している (VEVの比がB-­‐L ゲージ相互作用の強さで決まる) 26
Predic3on of the model
In order to realize EWSB at 246 GeV, B-­‐L scale must be around TeV (for a typical value of αB-­‐L ). LHC reach 14 TeV 100 ƒ -­‐1
ILC
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まとめ プランクスケールの物理 à 階層性問題 à 低エネルギー有効理論 これから考えられるシナリオとして、古典的スケール不変理論 ・126 GeV Higgs =真空の安定性 → 平坦ポテンシャル. これら二つを手がかりに ・
“Classically conformal B-­‐L model” +プランクスケールで平坦なポテンシャル この模型の面白い点 ・ B-­‐L スケールがダイナミクスの要請から TeV に決まってしまう。 ・ 右巻きニュートリノは軽い → レプトン生成の新たな可能性 ・ 予言能力が高い(パラメータ自由度がほとんどない) (1) Z’ 新しいゲージ粒子 (2) Mφ < MZ’ 軽いスカラー粒子 (3) Leptogenesis at TeV or below 軽い右巻きニュートリノ 28
Issues to be solved ・ Origin of flat Higgs poten3al at Planck Hierarchy problem & MH =126 GeV à PNGB ? Moduli ? Gauge/Higgs ? Shi… sym? Non-­‐susy vacua of superstring with flat V(H) ・ Resonant leptogenesis Garny, Kartavsev, Hohenegger (11)
Kadanoff-­‐Baym equa3on (quantum Boltzman) ・ Non-­‐susy GUT at Planck scale SO(10) or E6 type Gravity or string threshold correc3on to RGE 29
「大統一のスケールはどこにあるべきか?」 ゲージ相互作用の統一には本当に超対称性が必要なのか? プランク物理はプランクスケール直上か? 「超弦理論の真空に超対称性は必要?」 弦スケールから decouple した古典スケールのない有効理論とは? 「Sea-­‐sawスケールは本当に 109 GeV ほど高くないとだめなのか?」 レプトン生成機構の見直し cf. Asaka Shaposhnikov → K.Shimada, M.Yamanaka, SI (to appear) 「宇宙項問題の再検討」 暗黒エネルギーは宇宙誕生時の量子効果と関係するか? 非平衡場の量子論をもっとまじめに考えるべきではないか。 → H.Aoki, Y.Sekino, SI (to appear) 30
STRING I
BSMを目指して 90
00
10
プロトン崩壊 フレーバ物理
STRING II 弦の構成的 定式化 暗黒物質 暗黒Energy 初期宇宙 弦理論の回帰
ニュートリノ振動 (Kamiokande)
2012  LHC 2013  Planck 世代の起源?
CKM & CP
KEKB, PEP-II
フレーバ物理
Higgsの意味づけ
いよいよ新生代?
この先に何があるのか。 これまでの30年とは明らかに違う時代に来ている! 弦理論、宇宙論、素粒子論が渾然一体となって 非常に面白い時代になってきた。 Feynmann (ノーベル賞講演) 「物理学はいかに発見されたか」(江沢洋訳) の最後のパラグラフの要約 『問題は発見にいたる“最良の”あるいはもっとも能率的な方法を 見つけることでなくて、なんでもいいから一つ道を探し当てることです。 みなが同じ流行の考え方をするのでは、仮説のバラエティが限られてしまう。 一人一人が、 同じ考え方をするのではなく、自分を犠牲にして、 道を探し当てることが大事ではないでしょうか。 犠牲と言ったのは、真理が流行の方向にあって、何も探りあてることができない 可能性が高いからです。 しかし、私の経験では、犠牲はそんなに大きくない。 なぜなら、必ずその方法が適用できる範囲があるし、新しい法則を探し求める 際には、常に今考えている面白い可能性には、他の誰も気づいては いないだろう、という心理的興奮を味わうことができるからです。』 32
33
Hierarchy problem in Wilsonian RG
H Aoki, SI PRD(2012)]
Cri'cal line
*
*
FP
FP
With quadra3c div.
No quadra3c div.
Fine -­‐ tuning of the distance from the cri'cal line = Low energy mass scale
The difference is the choice of the coordinates of the parameter space.
Model: (B-­‐L) extension of SM with Right Handed Neutrinos N Okada, Y Orikasa, SI PLB676(09)81, PRD80(09)115007 PRD83(11)093011
H Higgs doublet B-­‐L sector scalar field
・B-­‐L is the only anomaly free global symmetry in SM. ・[U(1)B-­‐L]3 is anomaly free if we have right handed fermion. ・B-­‐L gauge symmetry is broken by vev of an addi3onal scalar. See-­‐saw mechanism
35
B-­‐L can be broken by CW mechanism at TeV. CW mechanism in B-­‐L sector
TeV
Planck
36
Stability bound in TeV scale B-­‐L model
An extra posi3ve term is added
Lower the stability bound
Stability bound In SM
37
標準模型の提唱
SMの 理論的基礎
70
GUT SUSY
1978 (標準模型の確立)
80
W, Z bosons
STRING I
BSMを目指して 90
00
10
各種 素粒子発見
プロトン崩壊 STRING II フレーバ物理
D brane AdS/CFT 暗黒物質 CMB 暗黒Energy
数学への 大貢献
2012  LHC 2013  Planck ニュートリノ振動 (Kamiokande)
(T2K, 原子炉)
高エネ加速器セミナ(磯 暁)
top
LEP 精密測定
CKM & CP
KEKB, PEP-II
Higgs
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階層性問題と 126GeV ヒッグス(真空の安定性)が 示唆するプランク