[논문 리뷰] Do we have the explanation for the Higgs and Yukawa couplings of the standard model?

N. S. Mankoč Borštnik|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스핀-전하가족 이론을 제안하여 표준모형의 힉스 및 요카다 쿠플링 기원을 설명하는 프레임워크를 제공한다. 이 이론은 약한 이so스핀 쌍대체와 가족 삼중체로 변환되는 다수의 스칼라 장을 가정함으로써, 표준모형을 저에너지 유사 이론으로 유도한다. 이 이론은 제4의 페르미온 가족과 암흑물질이 될 수 있는 안정된 제5가족을 예측하며, 스칼라 장이 진공 기대값을 취함으로써 이중 대칭성 깨짐 메커니즘을 통해 질량과 혼합을 생성한다.

ABSTRACT

The spin-charge-family theory offers a possible explanation for the assumptions of the standard model, interpreting the standard model as its low energy effective manifestation. The theory predicts several scalar fields determining masses and mixing matrices of fermions and weak bosons. The scalar fields manifest as doublets with respect to the weak charge, while they are triplets with respect to the family quantum numbers. Since free scalar fields (mass eigen states) differ from those which couple to $Z_m$ and to $W^{\\pm}_{m}$ or to each family member of each of the family the spin-charge-family theory predictions for LHC might differ from those of the standard model.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 힉스 및 요카다 쿠플링의 해결되지 않은 기원을 다루기 위해.
• 통합된 이론적 프레임워크 내에서 페르미온 가족과 그 질량 행렬의 기원을 설명하기 위해.
• 표준모형의 힉스 및 요카다 상호작용이 단일 힉스 쌍대체가 아니라 다수의 스칼라 장에서 기인하는지 탐구하기 위해.
• 이 이론이 제4의 페르미온 가족과 암흑물질 후보로서 안정된 제5가족 존재에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스칼라 장이 스핀-전하가족 이론에서 왜 약한 쌍대체로 나타나지만 가족 수량 대칭성에 대해 삼중체로 변환되는지에 대한 핵심 수수께끼를 해결하기 위해.

제안 방법

• 이론은 스핀(디랙형)과 가족 양자수(새로운 감마 행렬)에 대해 두 가지 다른 클리포드 대수학적 구조를 가진 고차원 작용에서 출발한다.
• 저에너지 유사 이론은 두 단계의 대칭성 깨짐을 통해 유도된다: 브레이크 I(SO(10)에서 SO(4)×SO(6)로)와 브레이크 II(SO(4)×SO(6)에서 표준모형 게이지군으로)이다.
• 스칼라 장은 고차원에서 스핀 접속과 빌라인의 구성요소로 도입되며, 약한 이so스핀에 대해 쌍대체로, 가족 수량 대칭성에 대해 삼중체로 변환된다.
• 스핀어 representation에 작용하는 프로젝터와 니르포텐트를 사용하여 진공 상태를 구성하며, 추가적인 스칼라 기여를 통해 대칭성을 통제적으로 깨뜨린다.
• 게이지 보손과 페르미온의 질량 항은 스칼라 장의 진공 기대값에서 유래하며, 힉스 유사 상태는 다수의 스칼라 장의 초위상으로 나타난다.
• 이 모델은 스칼라 장의 운동에너지 및 포텐셜 항을 포함하는 라그랑지안을 사용하며, 수정된 코Variant 도함수를 통해 게이지 장과 결합하고, 진공과 장 상호작용의 구조를 통해 요카다 유사 쿠플링을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 힉스 및 요카다 쿠플링은 더 기본적인 이론으로부터 어떻게 유도되는가?
• RQ2 저에너지 근처에서 스칼라 장이 왜 약한 쌍대체로 행동하는가? 그러나 가족 수량 대칭성에 대해 삼중체로 변환되는가?
• RQ3 표준모형의 3세대 페르미온 기원은 무엇인가?
• RQ4 스핀-전하가족 이론은 제4의 페르미온 가족과 암흑물질 후보로서 안정된 제5가족 존재를 예측할 수 있는가?
• RQ5 이 이론의 스칼라 장은 표준모형의 단일 힉스 쌍대체와 어떻게 다를 수 있으며, LHC에서의 관측 가능한 결과는 무엇인가?

주요 결과

• 힉스 보손은 단일 장이 아니라, 각각 약한 쌍대체와 가족 삼중체로 변환되는 다수의 스칼라 장의 초위상이다.
• 이 이론은 다수의 스칼라 장의 진공 기대값에 의해 결정되는 질량과 혼합 패턴을 가진 제4의 페르미온 가족을 예측한다.
• 안정된 제5의 페르미온 가족이 암흑물질 후보로 나타나며, 그 안정성은 보존되는 가족 수량 대칭성에 의해 보호된다.
• 약한 게이지 보손은 SU(2)_L에 대해 쌍대체이고 가족 대칭군에 대해 삼중체인 스칼라 장의 진공 기대값을 통해 질량을 획득한다.
• 다수의 스칼라 장 존재로 인해 표준모형에서의 힉스 쿠플링과 벡터 보손 질량에 대한 이질성이 예측되며, 이는 LHC에서 감지될 수 있다.
• 두 번째 대칭성 깨짐 단계(브레이크 II) 이후의 진공 상태는 스칼라 장의 비영인 진공 기대값을 지지하며, 이로 인해 W± 및 Z 보손의 질량 생성이 이루어진다. 이때, 하이퍼초위상 게이지 보손 A^Y_m은 조건 g²/g⁴ tanθ₂ = 1을 만족할 경우 질량이 없게 된다.