[論文レビュー] Top SU(5) Model: Baryon and Lepton Number Violations at the TeV Scale

Shreyashi Chakdar, Soumitra Nandi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、第3族のフェルミオンの相互作用を通じてテヴスケールでバリオン数およびレプトン数の破れが起こるトップSU(5)モデルを提案する。これにより、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で検出可能な(bτ)共鳴状態が生じる。モデルは陽子の安定性を保ちつつ、トップクォークおよびタウレプトンのカップリングを通じて観測可能なバリオン数およびレプトン数の破れを可能にし、標準模型を超えた新しい物理の検証可能な枠組みを提供する。

ABSTRACT

There is no fundamental reason for the baryon and lepton numbers to be the exact symmetries of nature. In fact, baryon asymmetry of the universe requires baryon violation at some scale. Unification of quarks and lepton in grand unified theories naturally leads to baryon and lepton number violation. However, the remarkable stability of the proton dictates that the masses of the gauge bosons mediating such interactions among the first two families to be ~10^{16} GeV. But, the baryon and lepton number violating interactions involving only the third family of the Standard Model fermions are not much constrained experimentally if the quark CKM mixings arise solely from the down-type quark sector. We propose a top SU(5) model where such violations happen at the TeV scale leading to the (b tau) resonance which can be discovered at the Large Hadron Collider.

研究の動機と目的

• 第一および第二族のフェルミオンに起因するバリオン数およびレプトン数の破れを抑制することで、大統一理論における陽子崩壊の階層問題を解決すること。
• アクセス可能なエネルギースケールでのバリオン数およびレプトン数の破れ相互作用を通じて、宇宙のバリオン非対称性を説明すること。
• このような破れが第3族のフェルミオンのみによって媒介される現実的なモデルを提案し、陽子崩壊実験からの強い制約を避けること。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での新しい物理の発見を可能にするために、(bτ)共鳴状態の実現を図ること。

提案手法

• クォークのダウン型セクターからのCKM混合を介して、バリオン数およびレプトン数の破れを媒介するゲージボソンを第3族に限定するトップSU(5)モデルを構築する。
• トップクォークおよびタウレプトンの質量に起因する結合定数の増幅を活用し、テヴスケールでbおよびτの最終状態の共鳴的生成を実現する。
• ファーミオンのフレーバー構造を用いて、第一および第二世代のフェルミオンを含む相互作用を抑制することで、陽子の安定性を保証する。
• SU(5)ゲージ対称性を有する大統一フレームワークにモデルを組み込みつつ、テヴスケールで標準模型への明示的破れを実装する。
• (bτ)共鳴状態の素粒子物理学的性質を分析し、生成断面積および崩壊チャネルを評価することで、LHCにおける発見可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子崩壊の制約と矛盾しない範囲で、バリオン数およびレプトン数の破れをテヴスケールで実現できるか？
• RQ2 ダウンクォーク系におけるCKM混合が、バリオン数およびレプトン数の破れ相互作用のフレーバー構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 このモデルにおける(bτ)共鳴状態の特徴と、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での検出可能性は何か？
• RQ4 このモデルは、同時にバリオン非対称性を説明し、陽子崩壊の過剰生成を回避できるか？

主な発見

• バリオン数およびレプトン数の破れは、第3族のフェルミオンのみを通じて実現され、陽子崩壊実験からの強い制約を回避する。
• トップクォークおよびタウレプトンの質量に起因する結合定数の増幅により、テヴスケールで(bτ)共鳴状態が支配的シグネチャとして現れる。
• モデルは、Run 2または将来の運行で観測可能な十分な生成断面積を予測し、LHCでの検出可能な信号を提示する。
• バリオン数およびレプトン数の破れを媒介するゲージボソンは、第一および第二世代の相互作用を抑制する十分な大きさの質量を持つため、陽子の安定性が保たれる。