Validity of SM at High Energies & Top Yukawa Finally we see - - PowerPoint PPT Presentation

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Validity of SM at High Energies & Top Yukawa Finally we see - - PowerPoint PPT Presentation

Oct 01, 2022 305 likes •981 views

Kin-ya Oda Osaka Yuta Hamada & Hikaru KawaiKyoto Phys. Rev. D 87, 053009 (2013) Also a proceedings, arXiv:1305.7055 Validity of SM at High Energies & Top Yukawa Finally we see Higgs?! Finally we see Higgs?! Finally we

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SLIDE 1

Kin-ya Oda（Osaka）

Yuta Hamada & Hikaru Kawai（Kyoto）

  • Phys. Rev. D 87, 053009 (2013)

Also a proceedings, arXiv:1305.7055

Validity of SM at High Energies & Top Yukawa

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SLIDE 2

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 3

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 4

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 5

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 6

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 7

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 8

Finally we see Higgs?!

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SLIDE 9

Finally we see Higgs?!

After half century!

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SLIDE 10

Finally we see Higgs?!

After half century!

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SLIDE 11

Finally we see Higgs?!

After half century!

※ pictures from web
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SLIDE 12

Higgs-like particle

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SLIDE 13

Higgs-like particle

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SLIDE 14

Higgs-like particle

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SLIDE 15

SM Higgs at LHC

[Figs. ¡from ¡web]
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SLIDE 16

How SM-like?

  • This ¡much→
  • Certainly ¡it ¡couples ¡as ¡ ¡

the ¡one ¡that ¡gives ¡ mass ¡to ¡SM ¡particles, ★ not ¡only ¡to ¡gauge ¡ fields ¡but ¡also ¡to ¡ matter ¡fields ¡(both ¡ quarks ¡& ¡a ¡lepton)

[Giardino et al. 1303.3570]

Coupling Mass

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SLIDE 17

Great victory of the SM!

[Picture ¡from ¡web]
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SLIDE 18

Importance of Higgs discovery

  • SM ¡is ¡chiral

(different ¡gauge ¡interaction ¡for ¡left ¡and ¡right ¡ handed) ★ No ¡mass ¡for ¡matter ¡fields ¡(quarks ¡& ¡ leptons)?!

  • They ¡too ¡receive ¡mass ¡from ¡Higgs ¡VEV ¡through ¡

Yukawa ¡couplings.

  • Higgs ¡mechanism ¡is ¡origin ¡of ¡all ¡masses ¡in ¡SM.
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SLIDE 19

Well done, perfect

  • Is ¡this ¡the ¡end ¡of ¡story?
  • Should ¡students ¡quit ¡

doing ¡particle ¡physics?

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SLIDE 20 [Picture ¡from ¡web]
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SLIDE 21

We know SM is not enough

  • From ¡cosmology
[Picture ¡from ¡web]
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SLIDE 22

SM tell us...

Most ¡of ¡Universe ¡occupied ¡by ¡ physics ¡beyond ¡SM

Only ¡this ¡amount ¡of ¡Universe

[Figs ¡from ¡web]
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SLIDE 23

SM tell us...

Most ¡of ¡Universe ¡occupied ¡by ¡ physics ¡beyond ¡SM

Only ¡this ¡amount ¡of ¡Universe

→69%

→5% →26%

[Figs ¡from ¡web]
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SLIDE 24

Furthermore

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SLIDE 25

Don’t forget gravity

  • QFT ¡is ¡paradigm ¡of ¡current ¡particle ¡physics, ¡yet

★ It ¡cannot ¡remove ¡divergences ¡from ¡quantum ¡gravity. ★ Classical ¡field ¡theory ¡of ¡gravitation ¡is ¡done.

  • Quantizing ¡gravity ¡is ¡one ¡of ¡the ¡most ¡difficult ¡question ¡for ¡

mankind ¡for ¡a ¡century.

  • Superstring ¡theory?

★ It ¡can ¡remove ¡divergences ¡from ¡graviton ¡scattering ¡on ¡ flat ¡space, ¡as ¡a ¡perturbation ¡theory ¡in ¡first ¡quantization. ★ Spacetime ¡dynamics ¡is ¡yet ¡to ¡be ¡formulated.

[Picture ¡from ¡web]
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SLIDE 26

Today’s theme

  • Up ¡to ¡how ¡large ¡scale ¡can ¡SM ¡be ¡valid?
  • Can ¡we ¡say ¡something ¡about ¡Planck ¡scale ¡

physics?

  • What ¡quantity ¡is ¡important ¡in ¡probing ¡high ¡

scale ¡physics? ★ New ¡physics ¡at ¡TeV, ¡of ¡course. ★ Even ¡if ¡not, ¡top ¡Yukawa ¡can ¡tell ¡something. ★ (Look ¡at ¡Bare ¡Higgs ¡mass.)

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SLIDE 27

Note

Bare Higgs mass is important not only in SM but also in YOUR model. Compute it!

(and cite our paper)

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SLIDE 28

Outline

  • 1. Top ¡mass ¡determination ¡

(recap)

  • 2. Higgs ¡potential ¡at ¡high ¡scales
  • 3. Minimal ¡Higgs ¡inflation
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SLIDE 29

Recap for Yokoya-san’s talk

MS-‐‑–bar ¡VEV ¡defined ¡by MS-‐‑–bar ¡mass ¡defined ¡by

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SLIDE 30

Some more

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SLIDE 31

To summarize,

  • Top ¡pole ¡mass ¡and ¡Yukawa ¡by ¡Alekhin, ¡

Djouadi ¡& ¡Moch ¡are ¡same ¡as ¡those ¡by ¡ Kniehl, ¡Jegerlehner ¡& ¡Kalmykov.

  • MS-‐‑–bar ¡mass ¡by ¡the ¡latter ¡is ¡larger ¡

than ¡by ¡former. ¡(Even ¡than ¡pole ¡mass.)

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SLIDE 32

Important point

  • Tevatron ¡(& ¡LHC) ¡measures ¡invariant ¡

mass ¡of ¡top ¡decay ¡products.

  • Pole ¡mass ¡of ¡colored ¡object ¡is ¡

estimated ¡by ¡color ¡singlet ¡final ¡states.

  • Un-‐‑–calculable ¡O(1GeV) ¡QCD ¡non-‐‑–

perturbative ¡ambiguity ¡expected.

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SLIDE 33

Outline

  • 1. Top ¡mass ¡determination ¡

(recap)

  • 2. Higgs ¡potential ¡at ¡high ¡scales
  • 3. Minimal ¡Higgs ¡inflation
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SLIDE 34

Higgs potential written by Higgs

[Pictures ¡from ¡web]
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SLIDE 35

Higgs potential written by Higgs

[Pictures ¡from ¡web]
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SLIDE 36

SM can possibly be valid up to Planck scale

[Hambye ¡& ¡Riesselmann, ¡1997]

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SLIDE 37

[Alekhin, Djouadi & Moch, 2012]

Vacuum stability at Planck scale

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SLIDE 38 21

SM running couplings

5 10 15 20 log10 Μ GeV 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

[Hamada, ¡Kawai, ¡KO, ¡2012]

Observed ¡mH ¡implies ¡ λ ¡right ¡on ¡stability ¡boundary.

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SLIDE 39

What if we vary top mass?

Mt ¡= ¡167.8­∓178.8 ¡GeV NEW!

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SLIDE 40

Enlarged view

NEW!

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SLIDE 41

Enlarged view

NEW!

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SLIDE 42

Nature has well chosen current top and Higgs masses

lighter... heavier... ...Higgs ...top

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SLIDE 43

5 10 15 20

  • 0.04
  • 0.02

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 log10 m GeV lHmL

90% CL from Tevatron HgreenL ê Alekhin, Djouadi, Moch HorangeL

Quartic coupling vanishes at MP for mt = 171GeV

large mt small mt

[Hamada, ¡Kawai, ¡KO]

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SLIDE 44

ここまでのまとめ

  • トップ質量勵の中⼼忄値 ¡173GeV ¡に対して、

SM真空は準安定。

  • 171GeVだとプランクスケールで、ヒッグ

ス四点結合もベータ関数（微係数）もゼロ に。

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SLIDE 45

Bare mass vanishes for Λ=1017～1028GeV

Note:

  • Bare mass is not

running.

  • Bare couplings

are approximated by running ones at Λ.

5 10 15 20 25 30 1 2 3 log10 L GeV mB

2

L2 ë 16 p2

small ¡mt large ¡mt

[Hamada, Kawai, KO, 2012]

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SLIDE 46

Bare mass vanishes for Λ=1017～1028GeV

Note:

  • Bare mass is not

running.

  • Bare couplings

are approximated by running ones at Λ.

5 10 15 20 25 30 1 2 3 log10 L GeV mB

2

L2 ë 16 p2

small ¡mt large ¡mt

[Hamada, Kawai, KO, 2012]

Next slide: Zoom up this region.

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SLIDE 47

Bare mass vanishes for Λ=1017～1028GeV

Note:

  • Bare mass is not

running.

  • Bare couplings

are approximated by running ones at Λ.

5 10 15 20 25 30 1 2 3 log10 L GeV mB

2

L2 ë 16 p2

small ¡mt large ¡mt

[Hamada, Kawai, KO, 2012]

Next slide: Zoom up this region. And cut at Planck scale.

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SLIDE 48

(Λ=MPl)

Both mB2 and λ almost vanish at Planck scale

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SLIDE 49

Bare Higgs mass becomes zero if mt=170GeV. Quadratic coupling vanishes if mt=171GeV.

(Λ=MPl)

Both mB2 and λ almost vanish at Planck scale

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SLIDE 50

Bare Higgs mass becomes zero if mt=170GeV. Quadratic coupling vanishes if mt=171GeV.

Standard Model Criticality Prediction: Top mass 173 ± 5 GeV and Higgs mass 135 ± 9 GeV.

Froggatt, Nielsen(1995)

(Λ=MPl)

Both mB2 and λ almost vanish at Planck scale

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SLIDE 51

Bare Higgs mass becomes zero if mt=170GeV. Quadratic coupling vanishes if mt=171GeV.

Standard Model Criticality Prediction: Top mass 173 ± 5 GeV and Higgs mass 135 ± 9 GeV.

Froggatt, Nielsen(1995)

(Λ=MPl)

“PREdicted ¡the ¡Higgs ¡mass”

  • H. ¡B. ¡Nielsen ¡[1212.5716]

Both mB2 and λ almost vanish at Planck scale

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SLIDE 52

Outline

  • 1. Top ¡mass ¡determination ¡

(recap)

  • 2. Higgs ¡potential ¡at ¡high ¡scales
  • 3. Minimal ¡Higgs ¡inflation
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SLIDE 53

Inflection point

NEW!

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SLIDE 54

Higgs inflation?

  • Putting ¡λ0=b2/16, ¡we ¡get
5 10 15 20
  • 0.04
  • 0.02
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 log10 m GeV l Hm L 90% CL from Tevatron HgreenL ê Alekhin, Djouadi, Moch HorangeL

Λ0 λ0 φc〜｟Λ0 Vc

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SLIDE 55

Higgs inflation?

  • Putting ¡λ0=b2/16, ¡we ¡get
5 10 15 20
  • 0.04
  • 0.02
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 log10 m GeV l Hm L 90% CL from Tevatron HgreenL ê Alekhin, Djouadi, Moch HorangeL

Λ0

Better be like this?

λ0 φc〜｟Λ0 Vc

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SLIDE 56

Higgs inflation?

  • Putting ¡λ0=b2/16, ¡we ¡get
5 10 15 20
  • 0.04
  • 0.02
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 log10 m GeV l Hm L 90% CL from Tevatron HgreenL ê Alekhin, Djouadi, Moch HorangeL

Λ0

Better be like this?

λ0 φc〜｟Λ0 Vc

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SLIDE 57

Higgs inflation?

  • Putting ¡λ0=b2/16, ¡we ¡get
5 10 15 20
  • 0.04
  • 0.02
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 log10 m GeV l Hm L 90% CL from Tevatron HgreenL ê Alekhin, Djouadi, Moch HorangeL

Λ0

Better be like this?

λ0 φc〜｟Λ0 Vc

We ¡choose: ¡V=V0+V1ln(φ/Λ)

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SLIDE 58

Necessary condition for Minimal Higgs inflation

NEW!

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SLIDE 59

Log potential

NEW!

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SLIDE 60

Connection

NEW!

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SLIDE 61

Prediction

NEW!

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SLIDE 62

Summary

  • 1. Top ¡mass ¡determination ¡

(recap)

  • 2. Higgs ¡potential ¡at ¡high ¡scales
  • 3. Minimal ¡Higgs ¡inflation
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SLIDE 63

Thank you!

[Pictures ¡from ¡web]
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SLIDE 64

Backup

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SLIDE 65

Bare potential at high scales

  • In ¡φ→0 ¡limit, ¡we ¡get
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SLIDE 66

Effective potential with renormalized mass

  • At ¡low ¡scales ¡x ¡= ¡φ2 ¡≪ ¡Λ2, ¡

bare ¡mass ¡naturally ¡disappears.

  • Can ¡reproduce ¡running ¡λ ¡from ¡bare ¡effective ¡potential.
  • Bare ¡mass ¡seems ¡to ¡emerge ¡near ¡cutoff. ¡Recall: