[论文解读] Totally asymptotically free trinification

Giulio Maria Pelaggi, Алессандро Струмиа+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于三重统一规范群 SU(3)ₗ × SU(3)ᵣ × SU(3)꜀ 的、现实且具有TeV尺度的标准模型扩展，通过确保所有规范、 Yukawa 和四次耦合在无限能量下保持微扰，实现了完全渐近自由（TAF）。系统地识别出具有三代希格斯粒子及额外的矢量型费米子的可行模型，成功构建了避免Landau极点并无需微调即可稳定希格斯质量的TAF解。

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.

研究动机与目标

• 通过仅考虑对希格斯质量有物理可观测影响的修正来解决希格斯自然性问题，而非依赖微调。
• 构建一个紫外完备的、现实的标准模型扩展，避免所有耦合（规范、Yukawa、四次）出现Landau极点，确保完全渐近自由（TAF）。
• 探索三重统一作为TAF模型的可行框架，避免Pati-Salam模型中夸克-轻子统一的问题，同时满足味和质量约束。
• 通过添加矢量型费米子系统地分类并识别最小三重统一的可行TAF扩展，特别是具有三代希格斯粒子的情况。
• 证明TAF可在三重统一模型中实现，而无需引入不稳定或奇异的色荷/稳定粒子，同时与LHC数据和中微子质量保持一致。

提出的方法

• 开发了计算代码，对场内容和耦合进行暴力扫描，计算一阶量子修正的跑动方程（RGEs），以检验TAF条件。
• 构建了具有三代希格斯粒子（n=3）的最小三重统一模型，自然生成夸克和轻子质量而无需微调。
• 在最小模型中加入矢量型费米子族（Qₗ, Qᵣ, L），引入新的Yukawa和质量项，当RGE演化受控时可保持TAF。
• 利用双三重态标量（H₁, H₂）的真空期望值（VEVs）将三重统一规范群对称性破缺至标准模型群，VEVs量级为TeV。
• 应用TAF条件：所有β函数在所有能量尺度上必须为负，确保耦合在无限能量下保持微扰。
• 求解RGE中的固定点流，识别出吸引至红外（IR）的流形，从而唯一确定部分Yukawa和四次耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一个现实的、TeV尺度的标准模型扩展，使得所有规范、Yukawa和四次耦合在无限能量下保持微扰，满足完全渐近自由（TAF）？
• RQ2 具有三代希格斯粒子的三重统一是否允许TAF模型，从而避免对新奇费米子质量的微调需求？
• RQ3 是否可在三重统一模型中实现TAF，而无需引入与实验约束冲突的稳定、新奇或带色粒子？
• RQ4 添加矢量型费米子在稳定TAF解的同时，如何保持费米子质量与混合的正确模式？
• RQ5 TAF三重统一模型是否预测了现象学上可行的信号，例如重的Wᵣ规范玻色子或Z′共振态，与LHC双玻色子异常一致？

主要发现

• 本文成功识别出多个具有三代希格斯粒子（n=3）的TAF三重统一模型，解决了n=2模型中困扰新奇费米子质量微调的问题。
• 对于n=3，90个四次耦合必须满足TAF条件，作者找到了可行解，避免Landau极点并实现无需微调的希格斯质量稳定。
• 约一半的Yukawa和四次耦合因红外吸引固定点流而被唯一确定，显著增强了理论的可预测性。
• 模型预测重的Wᵣ规范玻色子质量约为1.9 TeV，与LHC运行I数据中观测到的双玻色子过量一致。
• 模型预测gᵣ/gₗ ≈ 0.67，且M_Z′ ≈ 1.7 M_Wᵣ，与LHC异常相符，并提供可检验的信号。
• 发现多个TAF模型不预测任何新奇或稳定粒子，因此在现象学上可行，且与味和暗物质约束相容。