[论文解读] Dynamical Yukawa Couplings

Rodrigo Alonso de Pablo|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 105被引用 8

一句话总结

本文提出了一种标准模型中Yukawa耦合的动态机制，其中这些耦合的取值由最小化对称性破缺的变分原理决定。该方法自然解释了夸克质量的层级结构和小混合角，同时产生简并的中微子质量与大混合角及Majorana相位——由于费米子的狄拉克与马约拉纳性质不同，从而区分了轻子与夸克的混合模式。

ABSTRACT

The matter content of the Standard Model admits a global symmetry due to the generational structure of the spectrum respected by all interactions except for fermion couplings to the Higgs doublet. This symmetry is identified as the largest possible global symmetry of the free theory and extended to the case of massive neutrinos. The violation of such symmetry is then assumed dynamical and the value of the Yukawa couplings is fixed by a variational principle. This ansatz yields compelling results: Quark Yukawas naturally accommodate hierarchical masses and small mixing whereas Lepton Yukawas exhibit a hierarchical pattern for charged leptons and simultaneously degeneracy in the neutrino sector correlated with large mixing and Majorana phases. The difference in the mixing patterns of Quark and Leptons in this scheme stem from the Dirac vs Majorana nature of fermions.

研究动机与目标

• 基于世代结构，确定包含大质量中微子的自由标准模型中最大的全局对称性。
• 通过动力学对称性自发破缺，解释费米子质量的层级与混合模式。
• 通过最小化对称性破缺的变分原理，统一描述夸克与轻子的Yukawa耦合，从而确定耦合取值。

提出的方法

• 将自由理论的最大全局对称性识别为世代对称性，该对称性除Higgs-费米子耦合外被所有相互作用所保持。
• 假设该对称性的破缺是动力学的而非基本的，并认为Yukawa耦合由对称性破缺作用的最小化决定。
• 应用变分原理推导Yukawa耦合的取值，将其视为受对称性结构约束的动力学变量。
• 区分狄拉克费米子（夸克）与马约拉纳费米子（中微子），以解释其混合模式的差异。
• 利用所得框架计算夸克与轻子的质量层级与混合角。
• 分析所得结构，表明其与观测到的夸克质量层级及轻子混合模式（包括大中微子混合角与Majorana相位）一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无需微调的情况下解释观测到的夸克质量层级与小混合角？
• RQ2 何种动力学机制可同时产生简并的中微子质量与大混合角？
• RQ3 尽管具有相似的基本对称性，为何夸克与轻子表现出如此不同的混合模式？
• RQ4 Yukawa耦合能否通过最小化世代全局对称性破缺的变分原理推导得出？
• RQ5 在该框架中，费米子的狄拉克与马约拉纳性质如何影响最终的混合结构？

主要发现

• 变分原理成功重现了观测到的夸克质量层级与小混合角，与实验数据一致。
• 带电轻子质量呈现层级结构，与轻子扇区中观测到的质量比一致。
• 中微子质量自然简并，该框架预测的质量简并模式与宇宙学及振荡实验数据一致。
• 该模型预测大中微子混合角，与中微子振荡实验结果一致。
• Majorana相位自然地从框架中产生，与轻子数不守恒的可能性一致。
• 夸克与轻子混合模式的差异，可通过其费米子态的狄拉克与马约拉纳性质不同得到解释。