[論文レビュー] A Sinister Extension of the Standard Model to SU(3)XSU(2)XSU(2)XU(1)

Sheldon L. Glashow|ArXiv.org|Apr 29, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 21

ひとこと要約

この論文は、ゲージ群 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$ に基づく標準模型の陰惨な拡張を提案し、通常のフェルミオンの重いミラー粒子たる「テラフェルミオン」を導入する。これらは新たな $CP'$ 対称性によって結びつけられており、ヒッグス系におけるソフトな $CP'$ 破れが、テラフェルミオンおよび $W'$, $Z'$ ボソンの巨大質量を生成するとともに、小さなディラックニュートリノ質量を可能にし、安定で電磁的に束縛されたテラヘリウム原子を暗黒物質候補として予測する。

ABSTRACT

This paper describes work done in collaboration with Andy Cohen. In our model, ordinary fermions are accompanied by an equal number `terafermions.' These particles are linked to ordinary quarks and leptons by an unconventional CP' operation, whose soft breaking in the Higgs mass sector results in their acquiring large masses. The model leads to no detectable strong CP violating effects, produces small Dirac masses for neutrinos, and offers a novel alternative for dark matter as electromagnetically bound systems made of terafermions.

研究の動機と目的

• 強い $CP$ 問題を、$CP'$ 不変性を有する鏡の対称性を備えたセクターを導入することによって解決すること。
• マヨラナ項を用いずとも自然に小さなディラックニュートリノ質量を生成するメカニズムを提供すること。
• 安定で電磁的に束縛されたテラヘリウム原子としての新規な暗黒物質候補を提案すること。
• 重い安定粒子および暗黒物質探索の実験的制約と整合性を保つこと。
• クォークとテラクォークの間の正確なキャンセルによって、強い $CP$ 破れの不在を説明すること。

提案手法

• 通常のフェルミオンとテラフェルミオンの両方に別々の $SU(2)$ 要素を持つゲージ群 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$ を導入する。
• 通常のフェルミオンをそのテラ同等体の $CP$ 共役に写像し、逆にそれらを写像する新たな $CP'$ 対称性を仮定する。
• 2ヒッグスダブルレット系における次元2の質量項を用いて、$CP'$ のソフトな破れを実装する：1つの $SU(2)$ ダブルレット（$h$）と1つの $SU(2)'$ ダブルレット（$h'$）。
• 通常のフェルミオンとテラフェルミオンの混合を禁止するために、$\mathcal{F} = (B-L) - (B'-L')$ のフレーバー電流の保存を要請する。
• $CP'$ 不変性により $\lambda' = \lambda^*$ を強制し、テラフェルミオン質量が通常のそれの $S$ 倍であることを保証する。
• 巨大な真空期待値 $\langle h' \rangle = S \langle h \rangle \gg 250~\text{GeV}$ を用いて、$S > 2\times 10^5$ の重いテラフェルミオンを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $CP'$ 対称性を持つ標準模型の拡張は、新たな強い $CP$ 破れ位相を導入することなく、強い $CP$ 問題を解決できるか？
• RQ2 このモデルは、ニュートリノのゼロ位相二重ベータ崩壊を禁止しつつ、自然に小さなディラックニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ3 $UUU^{++}$ 核と2つの $E^-$ 電子からなる安定で電磁的に束縛されたテラヘリウム原子は、実用的な暗黒物質候補となり得るか？
• RQ4 現在の暗黒物質および重い安定粒子探索が、テラフェルミオン系の質量スケール $S$ に課す制約は何か？
• RQ5 残存するテラフェルミオンは、効率的に安定で中性のテラヘリウム原子に集合できるか？ そのような状態は、宇宙論的および天体物理学的制約と整合性があるか？

主な発見

• 通常のクォークとはるかに重いテラクォークの間の $\bar{\theta}$ 捐献の正確なキャンセルにより、強い $CP$ 問題が解決される。
• ニュートリノはスイープ型メカニズムを通じて極めて小さなディラック質量を獲得し、ニュートリノのゼロ位相二重ベータ崩壊は厳密に禁止される。
• 最も軽い荷電テラフェルミオン、$E^-$ は安定であり、質量は $S \times 511~\text{keV}$ である。重い安定レプトン探索の制約を満たすためには $S > 2 \times 10^5$ が必要である。
• テラクォークとテラレプトンは、核合成以前に $UUU$ バリオンおよび $UUUEE$ テラヘリウム原子に、効率的に断熱的交換反応を経て集合する。
• 予測されるテラヘリウム原子と光子の比は $\eta_{B'} \approx 3 \times 10^{-13} S_6$ であり、$S_6 = S / 10^6$ である。これは、高い集合度を示している。
• テラヘリウムと核の間の主要な相互作用断面積は、$UUU^{++}$ 核の磁気双極子モーメントに起因し、現在の暗黒物質検出限界を回避するためには $S > 10^6$（つまりテラヘリウム質量 > 10 TeV）である必要がある。