[論文レビュー] Neutron Majorana mass from Exotic Instantons in a Pati-Salam model

Andrea Addazi, Massimo Bianchi|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、色反ドイキュークレットの有効相互作用を通じて中性子のメジャナ型質量を生成する、特異なストリング的インスタントンを備えたパティ・サラム模型を提案する。これにより、$n$-$\bar{n}$ 遷移が生じる。このメカニズムは急速な陽子崩壊を回避し、次世代の $n$-$\bar{n}$ 遷移実験で検証可能な信号を提供する。同時に、ニュートリノ質量、バリオゲネシス、ダークマター、ヒッグスの階層問題を統一的な枠組みで説明する。

ABSTRACT

We show how exotic stringy instantons can generate an effective interaction between color diquark sextets in a Pati-Salam model, inducing a Majorana mass term for the neutron. In particular, we discuss a simple quiver theory for a Pati-Salam like model, as an example in which the calculations of exotic instantons' effects are simple and controllable. We discuss some different possibilities in order to generate $n-\bar{n}$ oscillation testable in the next generation of experiments, Majorana mass matrices for neutrini and a Post-Sphaleron Baryogenesis scenario. Connections with Dark Matter issues and the Higgs mass Hierarchy problem are discussed, in view of implications for LHC and rare processes physics. The model may be viewed as a completion of Left-Right symmetry, alternative to a GUT-inspired scenario. Combined measures in Neutron-Antineutron physics, FCNC, LHC, Dark Matter could rule out the proposed model or uncover aspects of physics at the Planck scale!

研究の動機と目的

• 急速な陽子崩壊を引き起こさずに中性子のメジャナ型質量を生成する非GUT的でストリングにインspiredされたパティ・サラム模型を検討すること。
• Dブレインクイバー模型における特異なインスタントンが、色六重項ドイキュークレットを介して $|\Delta B|=2$ の過程をどのように媒介するかを調査すること。
• 中性子 $n$-$\bar{n}$ 遷移を、ポスト・スファラソンバリオゲネシス、ニュートリノ質量生成、ダークマター候補と結びつけること。
• LHC、FCNC過程、およびレア崩壊からの制約を通じて、モデルの妥当性を評価すること。
• ストリーキルベルク機構によるTeVスケールの $Z'$ ボソンを導入することで、ヒッグスの階層問題を解決し、ストリングスケールのカットオフを必要としないこと。

提案手法

• タイプIIAストリングのコンパクト化における交差するDブレインに基づくクワイバーゲージ理論を構築し、パティ・サラム $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_c$ ゲージ群を実現する。
• G_{224} 群における $\Delta^c(1,3,10)$ フィールドを、色六重項ドイキュークレット $\Delta^c_{q^c q^c}(1,3,6)_{2/3}$ と右手系ニュートリノシングレット $\Delta^c_{\nu^c \nu^c}(1,3,1)_{-2}$ に分解する。
• 非摂動的特異インスタントンを用いて、3つの六重項ドイキュークレットと右手系ニュートリノを含む有効な4フェルミオン相互作用を生成し、中性子のメジャナ型質量項を導出する。
• インスタントンによって誘導される有効相互作用を通じて中性子 $n$-$\bar{n}$ 遷移率を計算し、$\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$ を推定する。
• FCNCにおける六重項質量の制約（$m_{\Delta^c} \gtrsim \text{TeV}$）、$Z'$ ボソンの素性、および中性ノイザー・スタッケルベルク・アキシノ混合によるダークマター候補の分析を含む、モデルの素性を分析する。
• $M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$ のスケールでストリーキルベルク機構によって安定化される $m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$ の $Z'$ ボソンを通じて、ヒッグスの階層問題が解決されることを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Dブレインクイバー模型における特異インスタントンは、急速な陽子崩壊を引き起こさずに中性子のメジャナ型質量を生成できるか？
• RQ2 このパティ・サラム模型における $n$-$\bar{n}$ 遷移寿命は予測されるか？また、次世代の実験で検証可能か？
• RQ3 色六重項ドイキュークレットはFCNC過程にどのように影響を与えるか？また、これらの過程が質量制約をどのように課すか？
• RQ4 このモデルは同時にニュートリノ質量、バリオゲネシス、ダークマター、ヒッグスの階層問題を説明可能か？
• RQ5 モデルで予測される $Z'$ ボソンおよび他の新しい状態のコライダー的・天体物理学的シグネチャは何か？

主な発見

• 特異インスタントンは色ドイキュークレット六重項間の有効相互作用を生成し、中性子のメジャナ型質量項を導く。予測される $n$-$\bar{n}$ 遷移寿命は $\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$ であり、次世代の実験で検証可能である。
• モデルは、$|\Delta B|=1$ の過程が禁止されているため、陽子の安定性が保たれ、急速な陽子崩壊を回避する。
• $B^0$-$\bar{B}^0$、$K^0$-$\bar{K}^0$、$D^0$-$\bar{D}^0$ 遷移からのFCNC制約により、六重項の質量はカップリングが $10^{-2}$ 量級の場合、TeVスケールを超える必要がある。
• 異常な $U(1)$ ゲージ対称性から生じる $Z'$ ボソンがモデルで予測され、質量は $m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$ であり、$M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$ のスケールでストリーキルベルク機構によって安定化され、ヒッグスの階層問題を緩和する。
• 中性ノイザー・スタッケルベルク・アキシノ混合から生じるダークマター候補が存在し、モデルのゲージ系と整合するWIMP型候補を提供する。
• エキゾチコン $S$ を含む $0\nu 2\beta$-崩壊に類似した過程がモデルで予測され、制約から $\mu_S > 10\,\text{keV}$ であることが示唆される。また、$nn \to S$ による核子-核子消失の確率は $\sim 10^{40}\,\text{yr}$ に抑制される可能性がある。