[論文レビュー] Aspects of Domain-Wall Standard Model

Nobuchika Okada, Digesh Raut+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、非コンpaktoな5次元空間におけるドメインウォールにすべての標準模型（SM）場が局在化する5次元場理論枠組み、すなわちドメインウォール標準模型を提案する。これにより、カルラウツァ＝クライン（KK）モードが生じる。2つの解けるモデルを用い、プロファイル関数 $ s(y) $ を用いて4次元有効理論、KKモードスペクトル、固有関数を導出し、LHCにおけるKKゲージボソン、ヒッグス粒子の修正、フェルミオンがSM粒子および5次元における電卓対称性の自発的破れに由来するナマブ＝ゴールドストーン粒子に崩壊する現象論的解析を実施する。

ABSTRACT

We have recently proposed a setup of the "Domain-Wall Standard Model" in a non-compact 5-dimensional space-time, where all the Standard Model (SM) fields are localized in certain domains of the 5th dimension. While the SM is realized as a 4-dimensional effective theory at low energies, the model involves Kaluza-Klein (KK) modes of the SM particles. In this paper we introduce two simple solvable examples which lead to domain-wall configurations for the SM particles and their KK-modes. Based on the examples, we address a variety of phenomenologies of the Domain-Wall SM, such as the KK-mode gauge boson phenomenology at the Large Hadron Collider (LHC), the effect of the KK-mode SM fermions on Higgs boson phenomenology, and the KK-mode fermion search at the LHC with its decay into a corresponding SM fermion and a Nambu-Goldstone boson associated with a spontaneous breaking of the translational invariance in the 5th dimension. We also propose a simple unified picture of localizing all the SM fields.

研究の動機と目的

• 非コンパクトな5次元空間におけるドメインウォールにすべてのSM場が局在化する5次元ブレーン・ワールドモデルの場理論的実現を構築すること。
• 場の局在化の具体例を構築することで、このようなモデルの現象論的妥当性を検証すること。
• SMゲージボソン、ヒッグス、フェルミオンのKKモードを含む4次元有効ラグランジアンを導出すること。
• LHC現象論を検討し、KKモードゲージボソンの信号、ヒッグス粒子の崩壊の修正、フェルミオンがSM粒子およびナマブ＝ゴールドストーン粒子に崩壊する現象を調査すること。
• 5次元のキント解に結びついた共通のプロファイル関数を用いて、すべてのSM場の統一的局在化メカニズムを提案すること。

提案手法

• 5次元平坦ミンコフスキー空間に、$ y $-依存関数 $ s(y) $ を導入したゲージカイネティック項 $ \mathcal{L}_5 = -\frac{1}{4} s(y) F_{MN}F^{MN} $ を導入し、U(1)ゲージ場の局在化を実現する。
• 2つの明示的なプロファイル（べき乗則的形、キントに基づく形）を用いてゲージ場のKKモード方程式を解き、正確な固有関数および質量スペクトルを導出する。$ s(y) \propto \text{sech}^2(m_\varphi y) $ の形をとる。
• 同様の局在化メカニズムをヒッグス場およびその真空期待値（VEV）に適用し、KKモードを含む4次元有効ヒッグス系を導出する。
• 5次元ディラックフェルミオンに$ y $-依存質量項を導入することで、SMフェルミオンへの一般化を実施し、ゼロモードおよびKKモード波動関数を解く。
• SM場とそのKKモードの間の相互作用を含む4次元有効ラグランジアンを導出し、5次元スカラー場との相互作用および5次元空間における電卓対称性の自発的破れに由来するナマブ＝ゴールドストーン粒子へのカップリングを含める。
• ゲージ、ヒッグス、フェルミオン場のすべてに共通して適用可能な統一的局在化スキームを提案する。$ s(y) = M_G (1 - \frac{\sqrt{\lambda}}{m_\varphi} \varphi_{\text{kink}}(y)^2)^{\gamma_G} $ とし、整数 $ \gamma_{G,H} \geq 2 $ とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非コンパクトな5次元空間内に存在するドメインウォールに、すべてのSM場を一貫して局在化させると同時に、4次元ゲージ不変性を保存する方法は何か？
• RQ2 解ける5次元モデルにおけるゲージボソン、ヒッグス、フェルミオンのKKモード質量スペクトルおよび波動関数の明示的形は何か？
• RQ3 SM粒子のKKモードは、LHCにおけるヒッグス粒子の現象論にどのように影響を与えるか？
• RQ4 LHCにおけるKKモードフェルミオンの発見シグネチャ、特にSMフェルミオンとナマブ＝ゴールドストーン粒子への崩壊は何か？
• RQ5 キント解に結びついた1つの5次元プロファイル関数を用いて、すべてのSM場の統一的局在化メカニズムを構築できるか？

主な発見

• 本モデルは、低エネルギーにおいてすべてのSM場が非コンパクトな5次元空間内のドメインウォールに局在化する4次元有効理論として標準模型を実現する。この局在化は、$ y $-依存関数 $ s(y) $ を用いて実現される。
• 2つの解けるモデルが構築された。1つは無限個のKKモードを有するもの、もう1つは有限個のKKモードを有するもので、両者とも明示的に計算可能な固有関数および質量スペクトルを持つ。
• KKモードゲージボソンの質量は $ m_n \sim n \cdot \Lambda $ と表され、$ \Lambda \lesssim 1 $ TeV であり、ドメインウォール幅に関する現在のLHC制約と整合的である。
• KKモードSMフェルミオンはヒッグス粒子のカップリングに補正をもたらし、LHCにおける分岐比および生成断面積に影響を与える可能性がある。
• KKモードフェルミオンは、5次元空間における電卓対称性の自発的破れに由来するナマブ＝ゴールドストーン粒子とSMフェルミオンに崩壊することができ、LHCにおける特徴的なシグネチャを提供する。
• $ s(y) \propto (1 - \varphi_{\text{kink}}^2)^{\gamma} $、$ \gamma \geq 2 $ の形をとる統一的局在化スキームが提案され、すべてのSM場およびKKモードと5次元スカラー場との間の新しい相互作用を含む一貫した枠組みを提供する。