Dynamical symmetry breaking and dark matter

Abstract

Standardmudel (SM) on erakordselt edukas elementaarosakeste füüsika teooria: see kirjeldab kõiki teadaolevaid elementaarosakesi ja nendevahelisi vastastikmõjusid ning on seni läbinud kõik täpsusmõõtmised. Ometi jätab SM mitmeid olulisi küsimusi vastamata. Üks probleem ilmneb juba mudelis endas. SM-is leidub vaid üks skalaarosake – Higgsi boson – ning tema potentsiaal sisaldab massiliiget, mis on teooria ainus dimensiooniga parameeter. Selle väärtus peab olema ebaloomulikult väike, mis nõuab peenhäälestamist ja muudab teooria ebaveenvaks. Võimalik lahendus on nõuda potentsiaalilt klassikalist mastaabi-invariantsust, kus kõik parameetrid on dimensioonitud ja füüsiline massiskaala tekib kvantparanduste kaudu. Kuna seda ei saa saavutada üksnes SM-i piires, vajab see täiendava(te), seni avastamata skalaarvälja(de) olemasolu. Sellised laiendused võimaldavad ühtlasi käsitleda teisi lahtiseid probleeme. Stabiilne skalaarosake võib olla sobiv tumeaine kandidaat, seletades 27% universumi energiatihedusest. Samas raamistikus võib esineda mehhanism neutriinode masside tekkeks (mida SM ei võimalda), ning pakkuda seletust ka kosmilisele inflatsioonile – varase universumi kiirele paisumisele. Käesolevas töös uurime klassikaliselt mastaabi-invariantsete mudelite matemaatilist struktuuri ja arendame meetodeid nende potentsiaalide uurimise lihtsustamiseks. Seejärel rakendame neid meetodeid mudelis, mis suudab ühtses raamistikus käsitleda Higgsi loomulikkust, tumeainet, neutriino masse ja inflatsiooni. Lõpuks uurime ka olukorda, kus tavapärased lähendused enam ei kehti, tuues esile uued seosed skalaarväljade vahel, mis tavaliselt jäävad varjatuks.The Standard Model (SM) of particle physics is an exceptionally successful theory: it describes all known elementary particles and their interactions, and it has passed every experimental test to date with remarkable precision. Yet, despite its success, the SM leaves several fundamental questions unanswered. One of the issues appears already inside the SM itself. Its scalar sector, containing only one scalar particle—the Higgs boson—includes a mass term that introduces the only dimensionful parameter in the theory. This is not only aesthetically unappealing but also requires fine-tuning to keep its value as small as observed, making it seem unnatural. A more attractive approach is to require the scalar potential to be classically scale invariant, meaning that only dimensionless parameters appear at the fundamental level. In such a framework, particle masses can still be generated through symmetry breaking, but the scale is produced dynamically by quantum corrections. Since this cannot be realised within the SM alone, it motivates the introduction of additional, yet undiscovered, scalar fields. With extra scalar fields, one can also address other open problems. The nature of dark matter, which accounts for about 27% of the energy content of the Universe, is still unknown, but a stable scalar particle can serve as a viable dark-matter candidate. The mechanism behind the masses of neutrinos—massless in the SM, but experimentally known to be massive—can also be implemented in such models. In addition, the same extended scalar sector may provide an explanation for cosmic inflation, the early-Universe expansion scenario that resolves several problems of Big Bang cosmology.