[논문 리뷰] Toward Realistic Gauge-Higgs Grand Unification

Atsushi Furui, Yutaka Hosotani외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 69인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 랜들-선드룸의 비정상적인 추가 차원에서 SO(11) 게이지-힉스 대통합을 제안하며, 4차원 힉스는 다섯 번째 차원의 게이지 장의 영모드로부터 유래된다. 전자약 대칭의 자동으로 깨지는 것은 호소타니 메커니즘을 통해 이루어지며, 쿼크-레프톤 질량 스펙트럼은 브레인 상호작용과 호소타니 메커니즘을 통해 재현된다. 다만 예측된 힉스 보손 질량은 관측된 값 이하이며, 이국적인 페르미온이 나타난다.

ABSTRACT

The $SO(11)$ gauge-Higgs grand unification in the Randall-Sundrum warped space is presented. The 4D Higgs field is identified as the zero mode of the fifth dimensional component of the gauge potentials, or as the fluctuation mode of the Aharonov-Bohm phase $θ_H$ along the fifth dimension. Fermions are introduced in the bulk in the spinor and vector representations of $SO(11)$. $SO(11)$ is broken to $SO(4) imes SO(6)$ by the orbifold boundary conditions, which is broken to $SU(2)_L imes U(1)_Y imes SU(3)_C$ by a brane scalar. Evaluating the effective potential $V_{ m eff} (θ_H)$, we show that the electroweak symmetry is dynamically broken to $U(1)_{ m EM}$. The quark-lepton masses are generated by the Hosotani mechanism and brane interactions, with which the observed mass spectrum is reproduced. The proton decay is forbidden thanks to the new fermion number conservation. It is pointed out that there appear light exotic fermions. The Higgs boson mass is determined with the quark-lepton masses given, which, however, turns out smaller than the observed value.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 비정상적인 추가 차원에서 SO(11) 게이지 이론에 통합하여 게이지-힉스 통합을 대통합 이론으로 확장한다.
• 프로톤 안정성을 유지하면서 호소타니 메커니즘을 통해 전자약 대칭을 동적으로 깨뜨린다.
• 브레인 상호작용과 호소타니 메커니즘을 통해 관측된 쿼크-레프톤 질량 스펙트럼을 재현한다.
• 효과적 포텐셜과 힉스 질량을 계산하여 모델의 타당성을 평가하고, 경량의 힉스 보손과 이국적인 페르미온 등의 한계를 규명한다.

제안 방법

• 4차원 힉스를 게이지 장의 다섯 번째 차원 성분의 영모드로 실현하거나, 다섯 번째 차원을 따라 변하는 아하로노프-보함 위상 θH의 변동으로 간주한다.
• 오르비폭 경계 조건을 통해 SO(11)을 SO(4)×SO(6)로 깨고, 플랑크 브레인에 있는 브레인 스칼라를 통해 SU(2)L×U(1)Y×SU(3)C로 더 깨운다.
• 비자명한 진공 기대값을 가진 윌슨 선을 통해 호소타니 메커니즘을 이용해 SU(2)L×U(1)Y를 U(1)EM으로 동적으로 깨뜨린다.
• 효과적 포텐셜 V_eff(θH)를 구성하여 진공 구조와 대칭 깨짐 패턴을 결정한다.
• SO(11)의 스핀론 및 벡터 표현을 가진 페르미온을 부스러기에서 끌어내어 질량 항과 브레인 상호작용에 의한 유카와-유사 상호작용을 도입한다.
• 베셀 함수를 사용해 칼루사-클라인 모드 함수를 계산하고, 1-루프 효과적 포텐셜을 평가하여 힉스 질량을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 힉스 보손은 비정상적인 시공간에서의 고차원 게이지 장의 성분으로 자연스럽게 실현될 수 있는가?
• RQ2 대통합 이론 프레임워크 내에서 호소타니 메커니즘을 통해 전자약 대칭 깨짐 패턴을 어떻게 동적으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 최소한의 장 내용으로도 관측된 쿼크-레프톤 질량 스펙트럼을 게이지-힉스 대통합 모형에서 재현할 수 있는가?
• RQ4 이 모형에서 예측되는 힉스 보손 질량은 얼마이며, 관측된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 SO(11) 대통합 모형에서 프로톤 붕괴와 기타 풍미 변화 과정은 자연스럽게 억제되는가?

주요 결과

• 전자약 대칭은 호소타니 메커니즘을 통해 U(1)EM으로 동적으로 깨지며, 아하로노프-보함 위상 θH의 비영이 되는 값에서 진공이 안정화된다.
• 호소타니 메커니즘과 브레인에 국한된 상호작용의 상호작용을 통해 쿼크-레프톤 질량 스펙트럼이 성공적으로 재현된다.
• 모델은 관측된 값보다 낮은 힉스 보손 질량을 예측하여, 향후 모형의 정교화가 필요함을 시사한다.
• 신규 페르미온 수의 대칭성 덕분에 프로톤 붕괴는 금지되어 있으며, 이는 장수하는 프로톤을 보장한다.
• 스펙트럼에 경량의 이국적 페르미온이 나타나며, 이는 이 계열의 모형에서 일반적인 특성이다.
• 효과적 포텐셜 V_eff(θH)는 유한하며 θH ≈ 0.1에서 최솟값을 가지며, SM 유사 힉스 상호작용과 일치한다.