[논문 리뷰] Totally asymptotically free trinification

Giulio Maria Pelaggi, Алессандро Струмиа외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 실현 가능한, 테바 스케일 확장인 SU(3)ₗ × SU(3)ᵣ × SU(3)꜀ 대칭군을 바탕으로 하며, 모든 게이지, 요카다 및 4차 상호작용 상수들이 무한한 에너지까지 비가역적으로 유지되도록 보장함으로써 총 점점 가속되는 자유도(Total Asymptotic Freedom, TAF)를 달성한다. 세 개의 쿼라 힉스와 추가적인 벡터-유사 페르미온을 포함하는 타당한 모델을 체계적으로 규명하여, 랑두 극을 피하고 힉스 질량을 미세조정 없이 안정화시키는 TAF 해를 성공적으로 구축한다.

ABSTRACT

Motivated by new ideas about the Higgs mass naturalness problem, we present realistic TeV-scale extensions of the Standard Model, into the gauge group SU(3)_L x SU(3)_R x SU(3)_c, such that all gauge, Yukawa and quartic couplings can be extrapolated up to infinite energy. Three generations of chiral fermions and Higgses are needed, as well as some extra fermion.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 힉스 자연성 문제를 해결하기 위해, 힉스 질량에 대한 물리적이고 관측 가능한 수정만 자연스럽게 간주하고, 미세조정에 의존하지 않도록 하는 것.
• 모든 상호작용 상수(게이지, 요카다, 4차 상호작용)에서 랑두 극이 발생하지 않도록 하며, 총 점점 가속되는 자유도(TAF)를 보장하는 UV 완전한, 현실적인 표준모형 확장 모델을 구축하는 것.
• 파티-살람 모델의 쿼라-레프톤 통합 문제를 피하면서도, 풍미 및 질량 제약 조건을 충족시키는 트리니피케이션을 TAF 모델의 타당한 프레임워크로 탐색하는 것.
• 벡터-유사 페르미온을 추가하여 최소 트리니피케이션의 TAF 확장을 시스템적으로 분류하고 타당한 해를 식별하는 것, 특히 세 개의 힉스 세대를 포함하는 경우에 중점을 두는 것.
• TAF가 안정한 또는 이국적인 색을 띤 입자나 안정한 입자를 도입하지 않으면서도 달성될 수 있으며, LHC 데이터와 중성미온 질량과의 일관성을 유지하는지 확인하는 것.

제안 방법

• 모델의 장 및 상호작용 상수에 대한 브루트 포스 스캔을 수행하기 위한 계산 코드를 개발하여, 1-루프 양자장 이론의 군집 방정식(RGEs)을 계산하고 TAF 조건을 테스트하는 데 사용하였다.
• 쿼라 및 렙톤 질량을 자연스럽게 생성할 수 있도록 세 개의 힉스 세대(n=3)를 포함하는 최소 트리니피케이션 모델을 구성하였다.
• 최소 모델에 벡터-유사 페르미온 가족(Qₗ, Qᵣ, L)을 추가하여 새로운 요카다 및 질량 항을 도입하였으며, RGE 흐름이 제어될 경우 TAF를 유지하는 데 기여하였다.
• 이중 트리플렛 스칼라(H₁, H₂)의 진공 기대값(VEVs)을 사용하여 트리니피케이션 게이지 군을 표준모형 군으로 붕괴시키며, VEVs의 크기는 약 테바 스케일이다.
• 모든 β-함수들이 모든 에너지 스케일에서 음수여야 한다는 TAF 조건을 적용하여, 모든 상호작용 상수가 무한한 에너지까지 비가역적으로 유지되도록 보장하였다.
• RGE의 固定点 흐름을 해결하여, IR-유인 방향을 식별하였으며, 이는 일부 요카다 및 4차 상호작용 상수를 유일하게 결정하는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 게이지, 요카다 및 4차 상호작용 상수가 무한한 에너지까지 비가역적으로 유지되며, 총 점점 가속되는 자유도(TAF)를 만족하는 실현 가능한 테바 스케일의 표준모형 확장 모델을 구성할 수 있는가?
• RQ2 세 개의 힉스 세대를 포함하는 트리니피케이션은 외부 페르미온 질량의 미세조정이 필요 없이 TAF 모델을 가능하게 하는가?
• RQ3 TAF가 안정한, 이색적이거나 색을 띠는 입자를 도입하지 않으면서도 트리니피케이션 모델에서 달성될 수 있는가? 이는 실험 제약 조건과 충돌하지 않는다.
• RQ4 벡터-유사 페르미온의 추가가 TAF 해를 안정화시키면서도, 페르미온 질량과 혼합의 정확한 패턴을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 TAF 트리니피케이션 모델은 LHC의 이중 보손 비정상성과 일치하는 현상학적으로 타당한 신호, 예를 들어 무거운 Wᵣ 게이지 보손이나 Z′ 공진 상태를 예측하는가?

주요 결과

• 논문은 세 개의 힉스 세대(n=3)를 포함하는 다수의 TAF 트리니피케이션 모델을 성공적으로 규명하여, n=2 모델에서 악명 높은 외부 페르미온 질량의 미세조정 문제를 해결하였다.
• n=3일 경우 90개의 4차 상호작용 상수들이 TAF 조건을 충족해야 하며, 저자들은 랑두 극을 피하고 힉스 질량을 미세조정 없이 안정화시키는 타당한 해를 발견하였다.
• 약 절반의 요카다 및 4차 상호작용 상수들이 IR-유인 고정점 흐름으로 인해 고유하게 예측되며, 이는 예측 능력을 향상시킨다.
• 모델들은 약 1.9 테바에서 중량이 큰 Wᵣ 게이지 보손을 예측하며, 이는 LHC 런 I 데이터에서 관측된 이중 보손 초과 현상과 일치한다.
• gᵣ/gₗ ≈ 0.67 및 M_Z′ ≈ 1.7 M_Wᵣ를 예측하며, 이는 LHC 이상 현상과 일치하고 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 다수의 TAF 모델들이 이색적이거나 안정한 입자를 예측하지 않아 현상학적으로 타당하며, 풍미 및 암흑물질 제약 조건과도 일치한다.