[論文レビュー] A realistic pattern of fermion masses from a five-dimensional SO(10) model

Ferruccio Feruglio, Ketan M. Patel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、$S^1/(\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2')$ orbifold 上で、物質場のバルク質量による指数関数的波動関数プロファイルから生じるフェルミオン質量階層を有する、異方的ヤクバイカップリングを伴う五次元超対称的SO(10) 대통일模型を提示する。このモデルは、観測されたフェルミオン質量および混合角をうまく再現し、$m_1 < 0.01$ eV の正のニュートリノ質量順序を予測する。また、熱的レプトゲネシスと整合しない、極めて非一様な右手系ニュートリノ質量スペクトルを支持する。

ABSTRACT

We provide a unified description of fermion masses and mixing angles in the framework of a supersymmetric grand unified SO(10) model with anarchic Yukawa couplings of order unity. The space-time is five dimensional and the extra flat spatial dimension is compactified on the orbifold $S^1/(Z_2 \ imes Z_2')$, leading to Pati-Salam gauge symmetry on the boundary where Yukawa interactions are localised. The gauge symmetry breaking is completed by means of a rather economic scalar sector, avoiding the doublet-triplet splitting problem. The matter fields live in the bulk and their massless modes get exponential profiles, which naturally explain the mass hierarchy of the different fermion generations. Quarks and leptons properties are naturally reproduced by a mechanism, first proposed by Kitano and Li, that lifts the SO(10) degeneracy of bulk masses in terms of a single parameter. The model provides a realistic pattern of fermion masses and mixing angles for large values of $\ an\\beta$. It favours normally ordered neutrino mass spectrum with the lightest neutrino mass below 0.01 eV and no preference for leptonic CP violating phases. The right handed neutrino mass spectrum is very hierarchical and does not allow for thermal leptogenesis. We analyse several variants of the basic framework and find that the results concerning the fermion spectrum are remarkably stable.

研究の動機と目的

• 5次元的フレームワークを用いて、SO(10) 대통일理論におけるフェルミオン質量階層とフレーバー構造を解明すること。
• オービフォールドコンパクト化によるゲージ対称性の破れによって、ダブルット・トリプレット分裂問題を解決すること。
• 1つのパラメータがバルク質量を制御することで、クォークおよびレプトンの観測された質量階層と混合パターンを自然に説明すること。
• ニュートリノ質量および混合角を含む低エネルギーにおけるフェルミオン観測量を再現するモデルの妥当性を検証すること。
• レプトゲネシスおよび右手系ニュートリノ質量スペクトルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 5次元時空を $S^1/(\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2')$ オービフォールドにコンパクト化し、固定ブレーン上でSO(10)をパティ・サラムゲージ対称性に破る。
• ヤクバイ相互作用をブレーン上に局在化させながら、物質場をバルクで伝播させる。これにより、指数関数的に局在化したゼロモード波動関数が得られる。
• 物質場にバルク質量を導入し、階層的な波動関数プロファイルを生成することで、1つのパラメータによってフェルミオン質量階層を説明する。
• バルクスカラー多重項を用いてSO(10)をSU(5)×U(1)_Xに自発的対称性の破れさせ、クォークおよびレプトン系を区別する。
• キタノ＝リのメカニズムを用いてバルク質量の degeneracy を解き、実際のヤクバイテクスチャーを生成する。
• 5次元のカルラ・クラインゼロモード方程式を解き、Cabibbo角 $\lambda$ の関数としてプロファイル行列を導出し、観測されたフェルミオン質量および混合に一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5次元SO(10) 대통일理論に異方的ヤクバイカップリングを導入した場合、観測されたフェルミオン質量階層および混合角を再現できるか？
• RQ2 コンパクト化された余剰次元におけるバルク質量からの波動関数の局在化は、フェルミオン質量の階層的構造をどのように説明できるか？
• RQ3 オービフォールドコンパクト化はゲージ対称性の破れおよびダブルット・トリプレット分裂問題の解決にどのような影響を与えるか？
• RQ4 このモデルは妥当なニュートリノ質量スペクトルを予測するか？また、レプトゲネシスにどのような意味を持つのか？
• RQ5 モデルのパラメータおよび構造の変動に対して、フェルミオン質量予測はどの程度安定しているか？

主な発見

• 大規模な $\tan\beta$ 値において、観測されたフェルミオン質量および混合角のパターンをモデルがうまく再現する。
• ニュートリノ質量スペクトルは、最も軽いニュートリノ質量が0.01 eV未満である正の質量順序であると予測される。
• モデルは、大きなレプトニックCP違反位相を好まないことが判明し、現在の実験的制約と整合する。
• 右手系ニュートリノ質量スペクトルは極めて非一様であり、再加熱温度が不十分なため、熱的レプトゲネシスと矛盾する。
• クォークおよびレプトンのヤクバイ行列は、特定の複素位相および階層的構造を有し、Cabibbo角の展開と一致する。
• モデルの複数のバリエーションにわたり、結果が顕著に安定しており、フェルミオンスペクトル予測の堅牢性が示された。