[논문 리뷰] Neutron Majorana mass from Exotic Instantons in a Pati-Salam model

Andrea Addazi, Massimo Bianchi|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 빛의 속도로 붕괴되는 양성자와는 다름없이 빠른 중성자-반중성자 붕괴를 유도하지 않으면서, 색다른 6중 덕트(6-plet) 다이쿼크 간의 효과적 상호작용을 통해 중성자의 Majorana 질량을 생성하는 Pati-Salam 모형을 제안한다. 이 메커니즘은 $n$-$\bar{n}$ 진동을 가능하게 하며, 향후 세대의 $n$-$\bar{n}$ 전이 실험에서 검증 가능한 신호를 제공한다. 동시에 이 모형은 중성자 질량, 기초입자 생성, 어둠의 물질, 힉스 계층 문제를 통합된 프레임워크 안에서 다룬다.

ABSTRACT

We show how exotic stringy instantons can generate an effective interaction between color diquark sextets in a Pati-Salam model, inducing a Majorana mass term for the neutron. In particular, we discuss a simple quiver theory for a Pati-Salam like model, as an example in which the calculations of exotic instantons' effects are simple and controllable. We discuss some different possibilities in order to generate $n-\bar{n}$ oscillation testable in the next generation of experiments, Majorana mass matrices for neutrini and a Post-Sphaleron Baryogenesis scenario. Connections with Dark Matter issues and the Higgs mass Hierarchy problem are discussed, in view of implications for LHC and rare processes physics. The model may be viewed as a completion of Left-Right symmetry, alternative to a GUT-inspired scenario. Combined measures in Neutron-Antineutron physics, FCNC, LHC, Dark Matter could rule out the proposed model or uncover aspects of physics at the Planck scale!

연구 동기 및 목표

• 빠른 양성자 붕괴를 유도하지 않으면서 중성자 Majorana 질량을 생성하는 비-GUT, 스트링 기반 Pati-Salam 모형을 탐색한다.
• D-브레인 퀼리 모형 내의 기이한 순간성들이 색 6중 다이쿼크를 통해 $|\Delta B|=2$ 과정을 어떻게 매개할 수 있는지 조사한다.
• 중성자 $n$-$\bar{n}$ 진동이 후 스파레론 기반 기초입자 생성, 중성자 질량 생성, 어둠의 물질 후보와 어떻게 연결될 수 있는지 탐색한다.
• LHC, FCNC 과정, 희귀 붕괴로부터의 제약 조건을 통해 모형의 타당성을 평가한다.
• 스트루켈베르그 메커니즘을 통해 TeV 스케일의 $Z'$ 보손을 도입함으로써 힉스 계층 문제를 해결하며, 스트링 스케일의 截斷(컷오프)가 필요 없도록 한다.

제안 방법

• 타입 IIA 스트링의 압축에서 교차하는 D-브레인을 기반으로 한 퀸치 게이지 이론을 구성하여 Pati-Salam $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_c$ 게이지 군을 실현한다.
• G_{224} 군 내의 $\Delta^c(1,3,10)$ 필드가 색 6중 다이쿼크 $\Delta^c_{q^c q^c}(1,3,6)_{2/3}$ 와 오른쪽 수동 중성자 싱เก트론 $\Delta^c_{\nu^c \nu^c}(1,3,1)_{-2}$ 으로 분해됨을 확인한다.
• 비추상적인 기이한 순간성을 사용하여 세 개의 6중 다이쿼크와 오른쪽 수동 중성자로 구성된 효과적 4 Fermion 상호작용을 생성함으로써 중성자 Majorana 질량 항을 유도한다.
• 순간성에 의해 유도된 효과적 상호작용을 통해 중성자 $n$-$\bar{n}$ 전이율을 계산하고, $\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$ 라고 추정한다.
• 모형의 현상학적 특성 분석을 수행하며, 이는 6중 다이쿼크 질량에 대한 FCNC 제약 조건($m_{\Delta^c} \gtrsim \text{TeV}$), $Z'$ 보손 현상학, 중성미온-스투켈베르그 아키노 혼합에 의한 어둠의 물질 후보를 포함한다.
• 스투켈베르그 메커니즘에 의해 $M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$ 에서 안정화된 $Z'$ 보손이 질량 $m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$ 를 가지며, 이는 힉스 계층 문제를 완화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D-브레인 퀸치 모형 내의 기이한 순간성이 빠른 양성자 붕괴를 유도하지 않으면서 중성자 Majorana 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 Pati-Salam 모형에서 예측되는 $n$-$\bar{n}$ 진동 수명은 얼마이며, 향후 실험에서 검증 가능한가?
• RQ3 색 6중 다이쿼크는 FCNC 과정에 어떤 영향을 미치며, 이러한 과정이 질량 제약 조건을 어떻게 유도하는가?
• RQ4 이 모형이 동시에 중성자 질량, 기초입자 생성, 어둠의 물질, 힉스 계층 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ5 모형에서 예측된 $Z'$ 보손과 기타 새로운 상태의 입자 충돌기 및 천체물리적 신호는 무엇인가?

주요 결과

• 기이한 순간성은 색다른 6중 다이쿼크 간의 효과적 상호작용을 생성하며, 이는 중성자 Majorana 질량 항으로 이어지고, $n$-$\bar{n}$ 전이 수명이 $\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$ 로 예측되어 향후 세대 실험에서 접근 가능하다.
• 모형은 $|\Delta B|=1$ 과정가 금지되어 있으므로 빠른 양성자 붕괴를 피하며, 양성자의 안정성을 확보한다.
• $B^0$-$\bar{B}^0$, $K^0$-$\bar{K}^0$, $D^0$-$\bar{D}^0$ 진동에서 유래한 FCNC 제약 조건은, 결합 상수가 약 $10^{-2}$ 수준일 경우 6중 다이쿼크 질량가 TeV 스케일을 초과해야 함을 시사한다.
• 기타 비대칭 $U(1)$ 대칭에서 기인한 $Z'$ 보손이 모형에서 예측되며, 질량은 $m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$ 이며, $M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$ 에서 스트루켈베르그 메커니즘에 의해 안정화되어 힉스 계층 문제를 완화한다.
• 중성미온-스투켈베르그 아키노 혼합에서 기인한 어둠의 물질 후보가 존재하며, 이는 모형의 게이지 부문과 호환되는 WIMP 유사 후보를 제공한다.
• 기타 입자 $S$ 를 포함하는 $0\nu 2\beta$-붕괴 유사 과정을 모형이 예측하며, 제약 조건은 $\mu_S > 10\,\text{keV}$ 를 시사하고, $nn \to S$ 를 통한 중성자-중성자 소멸이 $\sim 10^{40}\,\text{yr}$ 수준으로 억제된 채로 발생할 수 있다.