[論文レビュー] On a local mass dimension one Fermi field of spin one-half and the theoretical crevice that allows it

Dharam Vir Ahluwalia|arXiv (Cornell University)|May 31, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 61被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、スピン1/2の局所的で質量次元1のフェルミ場を新たに提案し、長年にわたりその場が質量次元3/2でなければならないという見解に挑戦する。この理論は無次元の四次自己相互作用を許容し、標準模型のヒッグス場との二次的結合を可能とし、大型ハドロン衝突型加速器における特徴的な署名を持つ実現可能なダークマター候補を提供する。

ABSTRACT

Since the 1928 seminal work of Dirac, and its subsequent development by Weinberg, a view is held that there is a unique Fermi field of spin one-half. It is endowed with mass dimension three-half. Combined, these characteristics profoundly affect the phenomenology of the high energy physics, astrophysics, and cosmology. We here present a counter example by providing a local, mass dimension one, Fermi field of spin one-half. The theory, inter alia, thus allows dimensionless quartic self interaction for the new fermions, and its only other dimensionless coupling is quadratic in the new fermions and in the standard-model scalar field. For these reasons, the immediate application of the new theory resides in the dark-matter sector of physical reality. The lowest-mass associated new particle may leave its unique signature at the Large Hadron Collider. We discuss in detail the theoretical crevice that allows the existence of the new quantum field.

研究の動機と目的

• スピン1/2のフェルミ場が質量次元3/2でなければならないという確立されたパラダイムに挑戦すること。
• 局所的で質量次元1のスピン1/2フェルミ場を可能にする理論的すきまを特定・活用すること。
• 無次元の四次自己相互作用とヒッグス場への最小結合を持つ量子場理論を構築すること。
• 特にダークマター領域における物性的意味を探索すること。
• 大型ハドロン衝突型加速器における、新規粒子の最も軽い状態の特徴的な署名を特定すること。

提案手法

• 質量次元1のスピン1/2フェルミオンのための局所的量子場理論を、修正されたディラック型方程式を用いて構築すること。
• ローレンツ共変性と局所性を満たすとともに、一貫した正準量子化スキームを維持すること。
• 質量次元1のスケーリングに起因してのみ可能な無次元の四次自己相互作用項を導入すること。
• 新フェルミオンと標準模型のヒッグススカラー場との間の二次的結合を導入すること。
• 新しい場の次元のもとでの理論の再正則化可能性とユニタリティを分析すること。
• ファインマン規則を導出し、一次の散乱振幅を計算して物性的妥当性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的量子場理論の枠組み内で、局所的で質量次元1のスピン1/2フェルミ場を一貫して定式化できるか？
• RQ2 このような場が、従来の質量次元3/2の要請を回避できる理論的条件は何か？
• RQ3 無次元の四次自己相互作用が、新フェルミオンの力学的性質と安定性に与える影響は何か？
• RQ4 ヒッグス場との二次的結合が、電弱対称性の破れと新フェルミオンの質量生成に与える影響は何か？
• RQ5 この新セクターの最も軽い状態が、大型ハドロン衝突型加速器で生じる特徴的な署名は何か？

主な発見

• 質量次元1のスピン1/2フェルミオンのための一貫した局所的量子場理論が構築され、従来の質量次元3/2の仮定に反する。
• 理論は無次元の四次自己相互作用を支持しており、これは標準的な質量のあるスピン1/2場では不可能である。
• 唯一の他の結合は、新フェルミオンとヒッグス場との間の二次的結合であり、自然な質量生成メカニズムを可能にする。
• 新セクターの最低質量状態は、大型ハドロン衝突型加速器における陽子-陽子衝突で特徴的な署名を生じる可能性がある。
• この場の存在は、相対論的量子場理論の基礎にかつて見過ごされていた理論的すきまを明らかにする。