[논문 리뷰] Aspects of Domain-Wall Standard Model

Nobuchika Okada, Digesh Raut외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 5차원 양자장론 프레임워크인 도메인 월 표준모형을 제안한다. 여기서 모든 표준모형(SM) 장은 비콤팩트한 제5차원에서 도메인 월 내에 국소화되며, 이는 칼류자-클라인(KK) 모드를 초래한다. 두 가지 해석 가능한 모델을 사용하여 프로파일 함수 $ s(y) $ 를 통해 4차원 효과적 이론, KK-모드 스펙트럼, 고유함수를 유도하고, LHC에서의 현상학적 특성으로서 KK 게이지 보손, 힉스 보손의 수정, 그리고 페르미온의 SM 입자와 5차원에서의 자발적 전이 대칭성 위반에 의한 나무부-골드스톤 보손으로의 붕괴를 조사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모든 SM 장이 비콤팩트한 제5차원에서 도메인 월 내에 국소화되는 5차원 브레인 월 모형의 장론적 실현을 개발하는 것.
• 장 국소화의 현상학적 타당성을 확보하기 위해, 구체적이고 해석 가능한 장 국소화 예제를 구성하는 것.
• SM 게이지 보손, 힉스, 페르미온의 KK 모드를 포함하는 4차원 효과적 라그랑지안을 유도하는 것.
• LHC 현상학을 탐색하여, KK-모드 게이지 보손 신호, 힉스 보손 붕괴 수정, 그리고 페르미온의 SM 입자와 나무부-골드스톤 보손으로의 붕괴를 포함하는 것.
• 5차원에서의 키큰 솔루션에 연결된 동일한 프로파일 함수를 사용하여 모든 SM 장에 대한 통합된 국소화 메커니즘을 제안하는 것.

제안 방법

• 5차원 평탄한 미ン코프스키 공간을 도입하고, 게이지 운동에너지 항 $ \mathcal{L}_5 = -\frac{1}{4} s(y) F_{MN}F^{MN} $ 에서 $ y $-의존 함수 $ s(y) $ 를 도입하여 U(1) 게이지 장을 국소화하는 것.
• 두 가지 명시적 프로파일, 즉 거듭제곱형과 케이크 기반형 $ s(y) \propto \text{sech}^2(m_\varphi y) $ 을 사용하여 게이지 장의 KK-모드 방정식을 풀어 정확한 고유함수와 질량 스펙트럼을 도출하는 것.
• 동일한 국소화 메커니즘을 힉스 장과 그 진공기대값(VEV)에 적용하여, KK 모드를 포함한 4차원 효과적 힉스 부문을 도출하는 것.
• 5차원 디랙 페르미온에 $ y $-의존 질량 항을 도입하여 SM 페르미온에 대한 형식을 확장하고, 영모드 및 KK-모드 파동함수를 해석적으로 구하는 것.
• SM 장과 그들의 KK 모드 간의 상호작용을 포함하는 4차원 효과적 라그랑지안을 유도하며, 특히 자발적 5차원 이동 대칭성 위반에 기인한 나무부-골드스톤 보손과의 결합을 포함하는 것.
• 게이지, 힉스, 페르미온 장에 대해 동일한 프로파일 함수를 사용하는 통합된 국소화 계획을 제안: $ s(y) = M_G (1 - \frac{\sqrt{\lambda}}{m_\varphi} \varphi_{\text{kink}}(y)^2)^{\gamma_G} $, 여기서 $ \gamma_{G,H} \geq 2 $ 이며 정수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비콤팩트한 5차원 공간 내에서 모든 SM 장이 도메인 월에 일관되게 국소화될 수 있는가? 이때 4차원 게이지 불변성이 유지되는가?
• RQ2 해석 가능한 5차원 모델에서 게이지 보손, 힉스, 페르미온의 KK-모드 질량 스펙트럼과 고유함수의 명시적 형태는 무엇인가?
• RQ3 SM 입자의 KK-모드가 LHC에서 힉스 보손 현상학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 LHC에서 KK-모드 페르미온을 발견하기 위한 서명은 무엇인가? 특히 SM 페르미온과 나무부-골드스톤 보손으로의 붕괴에 초점을 맞추어 설명할 것.
• RQ5 5차원에서의 키큰 솔루션에 연결된 단일 5차원 프로파일 함수를 사용하여 모든 SM 장에 대한 통합된 국소화 메커니즘을 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 저에너지에서 모든 SM 장이 비콤팩트한 5차원 공간 내 도메인 월에 $ s(y) $ 를 통해 국소화되는 4차원 효과적 이론으로 실현된다.
• 두 가지 해석 가능한 모델이 구성되었으며, 하나는 무한한 수의 KK 모드를 갖는 반면, 다른 하나는 유한한 수의 모드를 갖는다. 둘 다 명시적으로 계산 가능한 고유함수와 질량 스펙트럼을 포함한다.
• KK-모드 게이지 보손의 질량은 $ m_n \sim n \cdot \Lambda $ 로 표현되며, 여기서 $ \Lambda \lesssim 1 $ TeV 이다. 이는 도메인 월 두께에 대한 현재 LHC 제약 조건과 일치한다.
• KK-모드 SM 페르미온은 힉스 보손 결합에 보정을 유도하며, 이는 LHC에서 브랜치 비율과 생성 단면적을 변화시킬 수 있다.
• KK-모드 페르미온은 자발적 5차원 이동 대칭성 위반에 기인한 나무부-골드스톤 보손과의 붕괴를 겪을 수 있으며, 이는 LHC에서의 특징적인 서명을 제공한다.
• 통합된 국소화 계획이 $ s(y) \propto (1 - \varphi_{\text{kink}}^2)^{\gamma} $, $ \gamma \geq 2 $ 를 사용하여 제안되었으며, 이는 모든 SM 장에 대한 일관된 프레임워크와 KK 모드 및 5차원 스칼라 장 간의 새로운 상호작용을 제공한다.