[논문 리뷰] Top SU(5) Model: Baryon and Lepton Number Violations at the TeV Scale

Shreyashi Chakdar, Soumitra Nandi외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 바이런 및 렙톤 수의 위반이 제3족 페르미온 상호작용을 통해 테바 스케일에서 발생하는 상위 SU(5) 모델을 제안한다. 이로 인해 대형 하드론 충돌기에서 검출 가능한 (bτ) 공명이 가능해지며, 모델은 양성자 안정성을 유지하면서도 토프 쿼크와 타우 렙톤 결합을 통해 관측 가능한 바이런 및 렙톤 수 위반을 허용하여 표준모델을 초월한 새로운 물리학의 검증 가능한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

There is no fundamental reason for the baryon and lepton numbers to be the exact symmetries of nature. In fact, baryon asymmetry of the universe requires baryon violation at some scale. Unification of quarks and lepton in grand unified theories naturally leads to baryon and lepton number violation. However, the remarkable stability of the proton dictates that the masses of the gauge bosons mediating such interactions among the first two families to be ~10^{16} GeV. But, the baryon and lepton number violating interactions involving only the third family of the Standard Model fermions are not much constrained experimentally if the quark CKM mixings arise solely from the down-type quark sector. We propose a top SU(5) model where such violations happen at the TeV scale leading to the (b tau) resonance which can be discovered at the Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• 첫 번째 및 두 번째 족의 바이런 및 렙톤 수 위반을 억제함으로써 대규모 통합 이론에서의 양성자 붕괴의 계층 문제를 해결하기 위해.
• 접근 가능한 에너지 스케일에서 바이런 및 렙톤 수 위반 상호작용을 통해 관측된 천체의 바이런 비대칭성을 설명하기 위해.
• 그러한 위반이 제3족 페르미온을 통해서만 매개되며, 양성자 붕괴 실험의 제약을 피하는 현실적인 모델을 제안하기 위해.
• 대형 하드론 충돌기에서 (bτ) 공명을 통한 새로운 물리학의 실험적 발견을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 하향 쿼크 부문의 CKM 혼합을 통해 게이지 보손이 바이런 및 렙톤 수 위반을 제3족에만 국한시키는 상위 SU(5) 모델을 구성하기 위해.
• 톱 쿼크와 타우 렙톤 질량을 활용하여 결합 강도를 증가시켜 테바 스케일에서 b 및 τ 최종 상태의 공명 생성을 이끌기 위해.
• 맛 구조를 통해 첫 번째 및 두 번째 세대 페르미온을 포함하는 상호작용를 억제함으로써 양성자 안정성을 유지하기 위해.
• SU(5) 게이지 대칭을 갖는 대규모 통합 프레임워크 내에서 모델을 구현하지만, 테바 스케일에서 표준모델으로의 명시적 붕괴를 수반하기 위해.
• 생산 횡단단면 및 붕괴 채널을 포함한 (bτ) 공명의 현상학적 분석을 통해 LHC에서의 발견 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자 붕괴 제약과 충돌하지 않으면서도 바이런 및 렙톤 수 위반을 테바 스케일에서 실현할 수 있는가?
• RQ2 하향 쿼크 부문의 CKM 혼합은 바이런 및 렙톤 수 위반 상호작용의 맛 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모델에서 대형 하드론 충돌기에서 (bτ) 공명의 서명과 검출 가능성은 어떠한가?
• RQ4 이 모델은 바이런 비대칭성을 동시에 설명하면서도 과도하게 많은 양성자 붕괴를 초래하지 않는가?

주요 결과

• 모델은 제3족 페르미온을 통해서만 바이런 및 렙톤 수 위반을 실현하여, 양성자 붕괴 실험의 강한 제약을 피한다.
• 톱 및 타우 질량으로 인한 증폭된 결합으로 인해 테바 스케일에서 (bτ) 공명이 주요 서명으로 나타난다.
• 모델은 런 2 또는 향후 런에서 관측 가능한 생산 횡단단면을 예측하여 대형 하드론 충돌기에서 검출 가능한 신호를 제공한다.
• 바이런 및 렙톤 수 위반을 매개하는 게이지 보손은 첫 번째 및 두 번째 세대 상호작용를 억제할 수 있도록 충분히 무거워서, 양성자 안정성을 유지한다.