[논문 리뷰] Radiatively generated hierarchy of lepton and quark masses

A. E. Cárcamo Hernández, Sergey A. Kovalenko외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 부드럽게 깨진 S3 × Z2 이산 대칭을 사용하여 표준모형 페르미온 질량 계층을 최소한의 복사 모델로 제안한다. 이 모델은 나무 차수에서 토프 쿼크 질량을 생성하고, 1-loop에서 바텀/톱/차임/타우/모우온 질량을, 2-loop에서 경량 쿼크 및 전자 질량을, 4-loop에서 경량 중성미오 질량을 생성하며, 하나의 SM 힉스 두중자와 세 개의 중성 스칼라 시그마를 통해 이루어진다. 모델은 타당한 스칼라 어두운 물질 후보(η)와 약 2.5 테바르의 截斷 스케일을 예측하며, 750 기로절튼 근처의 이국적 페르미온 및 스칼라가 존재하여 LHC에서 검증 가능할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a model for radiatively generating the hierarchy of the Standard Model (SM) fermion masses: tree-level top quark mass; 1-loop bottom, charm, tau and muon masses; 2-loop masses for the light up, down and strange quarks as well as for the electron; and 4-loop masses for the light active neutrinos. Our model is based on a softly-broken $S_{3} imes Z_{2}$ discrete symmetry. Its scalar sector consists only of one SM Higgs doublet and three electrically neutral SM-singlet scalars. We do not need to invoke either electrically charged scalar fields, or an extra $SU_{2L}$ scalar doublet, or the spontaneous breaking of the discrete group, which are typical for other radiative models in the literature. The model features a viable scalar dark matter candidate.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 페르미온 질량의 관측된 계층(톱에서 경량 중성미오까지)을 순차적 루프 억제 메커니즘으로 설명하기 위해.
• 기타 복사 모델에서 흔한 전하를 지닌 스칼라, 추가 힉스 두중자, 또는 비가역적인 이산 대칭 붕괴를 피하는 최소한의 SM 확장 구축을 위해.
• 특히 Z2-홀드 스칼라 시그마 η인 타당한 스칼라 어두운 물질 후보를 식별하기 위해.
• 1- 및 2-루프 페르미온 질량에서 유도된 2.5 테바르 정도의 截斷 스케일 Λ ≈ 2.5 TeV 추정 및 무거운 스칼라 및 페르미온 매개체를 통한 UV 완성 탐색을 위해.
• 어두운 물질의 잔류 밀도 제약 및 LHC에서의 이색 색상 및 전하를 지닌 페르미온 탐색 가능성 등을 포함한 모델의 현상학적 타당성 평가를 위해.

제안 방법

• S3 × Z2 전역 대칭을 약간 깨는 방식으로, 다양한 루프 수준에서 양자수 상수를 억제함으로써 질량 계층을 생성: 토프 쿼크는 나무 차수, 바텀, 차임, 타우, 모우온은 1루프, 경량 쿼크 및 전자는 2루프, 경량 활성 중성미오는 4루프.
• 하나의 SM 힉스 두중자와 세 개의 중성 SM 싱귤레이터 스칼라(σ1, σ2, η)를 도입하며, σ는 S3 × Z2 하에서 두중자로 변환되고, η는 싱귤레이터로 변환된다.
• 비가역적인 양자수 상수 상호작용(차수 5 및 7)을 통해 루프 유도 질량을 매개하는 특정 S3 × Z2 양자수를 지닌 이국적 SU(2)L 싱귤레이터 페르미온(T, B, E 등)을 도입한다.
• Z2에 대한 부드러운 깨짐(페르미온에 적용)과 S3에 대한 부드러운 깨짐(σ에 적용)을 사용하여, 루프 다이어그램에서 질량 삽입을 가능하게 하여 질량 계층 패턴을 생성한다.
• 웨인버그 연산자를 통한 4루프 중성미오 질량 유도를 통해 Λ⁴에 의해 억제되며, 모델이 자연스럽게 하나의 질량이 0이고 두 개의 비영인 중성미오 질량을 생성함을 보여준다.
• 무거운 스칼라 및 페르미온 상태(ξ, Φ, χ, ϕ, ρ)를 도입하여, 모든 쌍이 S3 × Z2 하에서 싱귤레이터로 변환되는 보존적인 상호작용을 통해 비가역 연산자를 생성함으로써 UV 완성을 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 전하 스칼라 또는 SU(2)L 두중자 없이도, 순차적 루프 억제 메커니즘을 통해 전체 페르미온 질량 계층(톱에서 경량 중성미오까지)을 최소한의 SM 확장으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 4루프 중성미오 질량 생성을 실현하면서도 게이지 대칭과 전역 대칭을 유지하기 위해 필요한 최소한의 스칼라 및 페르미온 부문은 무엇인가?
• RQ3 모델은 천체 물리학적 잔류 밀도 제약 조건과 호환되는 타당한 스칼라 어두운 물질 후보를 허용하는가?
• RQ4 효과 이론의 截斷 스케일 Λ는 추정되는가? 관측된 페르미온 질량과의 관계는 어떠한가?
• RQ5 모델에서 예측된 이색 색상 및 전하를 지닌 페르미온의 LHC 서명은 무엇이며, 이들은 이젝트 또는 이레프레온 최종 상태를 통해 탐색 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 루프 억제를 통해 SM 페르미온 질량 계층을 생성한다: 토프 쿼크는 나무 차수, 바텀, 차임, 타우, 모우온은 1루프, 경량 쿼크 및 전자는 2루프, 경량 활성 중성미오는 4루프.
• 1루프 및 2루프 기여에 기반하여 截斷 스케일 Λ는 약 2.5 테바르로 추정된다.
• 경량 중성미오 질량 스펙트럼은 하나의 질량이 0이고 두 개의 비영인 질량 고유상태를 포함하며, 중성미오 진동 데이터와 일치한다.
• Z2-홀드 스칼라 η는 타당한 스칼라 어두운 물질 후보이며, mη ≈ 750 기로절튼 및 λh²η² ≤ 1 조건에서 잔류 밀도 Ωh² ≈ 0.1198를 달성할 수 있다.
• 모델은 모든 비-SM 입자(이국적 쿼크 및 전하를 지닌 레프톤 포함)의 typical 질량 스케일이 약 750 기로절튼임을 예측하며, 이는 LHC에서 탐색 가능한 가능성을 갖는다.
• 무거운 스칼라 및 페르미온 상태(ξ, Φ, χ, ϕ, ρ)를 통한 UV 완성은 보존적인 상호작용을 통해 비가역 연산자를 생성하며, S3 × Z2 대칭을 유지한다.