[논문 리뷰] A Sinister Extension of the Standard Model to SU(3)XSU(2)XSU(2)XU(1)

Sheldon L. Glashow|ArXiv.org|2005. 04. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 게이지 군 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$ 기반으로 표준모형의 악성 확장안을 제안하며, 일반 페르미온의 무거운 거울 입자인 '테라페르미온'을 도입하고, 새로운 $CP'$ 대칭성과 연결한다. 힉스 섹터에서의 부드러운 $CP'$ 위반은 테라페르미온과 $W'$, $Z'$ 보손에 큰 질량을 생성하면서도, 작은 디라크 중성자 질량을 가능하게 하고, 안정적인 전자기적으로 결합된 테라헬륨 원자를 암흑물질 후보로 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 $CP$ 문제를 해결하기 위해 $CP'$ 대칭성과 함께 거울 섹터를 도입한다.
• Majorana 항 없이도 작은 디라크 중성자 질량을 자연스럽게 생성하는 메커니즘을 제공한다.
• 안정적이고 전자기적으로 결합된 테라헬륨 원자를 암흑물질 후보로 제안한다.
• 중성자와 무거운 안정 입자에 대한 실험적 제약 조건과 암흑물질 탐색 결과에 부합함을 보장한다.
• 쿼크와 테라쿼크 사이의 정확한 상쇄로 강한 $CP$ 위반이 없음을 설명한다.

제안 방법

• 일반 페르미온과 테라페르미온을 위한 두 개의 별개의 $SU(2)$ 요소를 가진 게이지 군 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$ 를 도입한다.
• 일반 페르미온을 그들의 테라등가물의 $CP$ 쌍대체로, 그 반대로도 변환하는 새로운 $CP'$ 대칭성을 가정한다.
• 두 힉스 이중체 섹터에서 차원 2 질량 항을 통해 부드러운 $CP'$ 위반을 구현한다: 하나는 $SU(2)$ 이중체($h$)이고, 다른 하나는 $SU(2)'$ 이중체($h'$)이다.
• 일반 페르미온과 테라페르미온 간의 혼합을 금지하기 위해, $\mathcal{F} = (B-L) - (B'-L')$의 flavor 전류 보존을 요구한다.
• $CP'$ 대칭성에 의해 $\lambda' = \lambda^*$ 를 강제하여, 테라페르미온 질량이 일반 입자들에 비해 $S$ 배로 증가함을 보장한다.
• 큰 진공 기대값 $\langle h' \rangle = S \langle h \rangle \gg 250~\text{GeV}$ 를 사용하여 $S > 2\times 10^5$ 인 무거운 테라페르미온을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 $CP$ 위반 위상을 추가로 도입하지 않고도, $CP'$ 대칭성 확장이 강한 $CP$ 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 모델이 중성자 없는 이중베타 붕괴를 금지하면서도, 자연스럽게 작은 디라크 중성자 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ3 안정적이고 전자기적으로 결합된 테라헬륨 원자—$UUU^{++}$ 핵과 두 개의 $E^-$ 전자로 구성—는 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ4 현재의 암흑물질 및 중성자 안정 입자 탐색 결과에서 테라페르미온 섹터의 질량 척도 $S$ 에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 잔류 테라페르미온이 효율적으로 안정적이고 중성인 테라헬륨 원자로 집합할 수 있으며, 이러한 상태는 천체물리학적 및 천문학적 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 일반 쿼크와 훨씬 무거운 테라쿼크 사이의 $\bar{\theta}$ 기여가 정확히 상쇄되어 강한 $CP$ 문제를 해결한다.
• 중성자는 시즈모드 유사 메커니즘을 통해 극히 작은 디라크 질량을 획득하며, 중성자 없는 이중베타 붕괴는 엄격히 금지된다.
• 가장 가벼운 전하를 가진 테라페르미온인 $E^-$ 는 안정적이며 질량이 $S \times 511~\text{keV}$ 이다. 중성자 안정 렙톤 탐색 제약 조건을 충족하기 위해 $S > 2 \times 10^5$ 가 필요하다.
• 테라쿼크와 테라레프톤은 열을 방출하는 반응을 통해, 핵합성 이전에 $UUU$ 바리온과 $UUUEE$ 테라헬륨 원자로 효율적으로 집합한다.
• 예측된 테라헬륨 원자 대 광자 비율은 $\eta_{B'} \approx 3 \times 10^{-13} S_6$ 이며, 여기서 $S_6 = S / 10^6$ 이므로, 높은 수준의 집합이 일어남을 시사한다.
• 테라헬륨이 핵과 상호작용하는 주요 반응 단면적은 $UUU^{++}$ 핵의 자기 dipole 모멘트에서 기인하며, 이는 현재의 암흑물질 탐지 한계를 피하기 위해 $S > 10^6$ (즉, 테라헬륨 질량 > 10 TeV) 가 되어야 한다.