[论文解读] A novel 3-3-1 model for the generation of the SM fermion mass and mixing pattern

A. E. Cárcamo Hernández, Sergey Kovalenko+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

该论文提出一个具有 $Z_2 \times Z_4 \times U(1)_{L_g}$ 对称性的可重整化 3-3-1 模型，并引入扩展的标量场 sector，通过逐级辐射压制机制解释标准模型费米子质量的层级结构：顶夸克和奇异费米子在树图层面获得质量，底夸克、粲夸克、tau 轻子和μ子在单圈图层面获得质量，而轻夸克和电子则在双圈图层面获得质量。该模型通过一个双圈线性-逆向 seesaw 机制实现轻活性中微子质量，并识别出可行的费米子型和标量型暗物质候选者。

ABSTRACT

We propose an extension of the 3-3-1 model with an additional symmetry group $Z_{2} imes Z_{4} imes U(1)_{L_g}$ and an extended scalar sector. To our best knowledge this is the first example of a renormalizable 3-3-1 model, which allows explanation of the SM fermion mass hierarchy by a sequential loop suppression: tree-level top and exotic fermion masses, 1-loop bottom, charm, tau and muon masses; 2-loop masses for the light up, down, strange quarks as well as for the electron. The light active neutrino masses are generated from a combination of linear and inverse seesaw mechanisms at two loop level. The model also has viable fermionic and scalar dark matter candidates.

研究动机与目标

• 为解释标准模型费米子质量层级结构这一在最小标准模型中仍未被解释的问题。
• 构建一个可重整化的 3-3-1 模型，自然生成观测到的费米子质量模式，且无需微调。
• 通过结合线性与逆向 seesaw 机制的双圈机制实现轻活性中微子质量。
• 在模型扩展的粒子谱中识别出可行的费米子型和标量型暗物质候选者。

提出的方法

• 引入包含额外希格斯场的扩展标量场 sector，以介导费米子质量与中微子质量的生成。
• 实施 $Z_2 \times Z_4 \times U(1)_{L_g}$ 规范对称性，以控制量子数并抑制不必要的相互作用。
• 采用逐级辐射压制机制：顶夸克与奇异费米子在树图层面获得质量，底夸克、粲夸克、tau 轻子与μ子在单圈图层面获得质量，而轻上夸克、下夸克、奇异夸克与电子质量则在双圈图层面获得。
• 通过包含线性与逆向 seesaw 机制的双圈图实现轻活性中微子质量。
• 通过为新粒子仔细分配量子数，确保规范耦合统一与异常消除。
• 通过施加离散对称性与质量层级，识别出稳定且弱相互作用的粒子作为暗物质候选者。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在可重整化的 3-3-1 模型中动态生成标准模型费米子质量的观测层级结构？
• RQ2 结合线性与逆向 seesaw 机制的双圈机制能否产生与观测一致的轻活性中微子质量？
• RQ3 $Z_2 \times Z_4 \times U(1)_{L_g}$ 对称性在稳定模型与实现逐级辐射压制中起到何种作用？
• RQ4 该模型中哪些粒子可作为可行的费米子型与标量型暗物质候选者？
• RQ5 该模型是否与规范耦合统一性及异常消除一致？

主要发现

• 该模型实现了逐级辐射压制机制：顶夸克与奇异费米子在树图层面获得质量，底夸克、粲夸克、tau 轻子与μ子质量在单圈图层面获得，而轻上夸克、下夸克、奇异夸克与电子质量则在双圈图层面获得。
• 轻活性中微子质量通过结合线性与逆向 seesaw 机制的双圈图生成，与中微子振荡实验数据一致。
• 该模型具有一个由 $Z_2$ 对称性保护的稳定、弱相互作用的费米子型暗物质候选者。
• 识别出一个由 $Z_4$ 对称性稳定的标量型暗物质候选者，其质量与耦合常数与宇宙学约束一致。
• 该模型是可重整化且无异常的，所有规范与引力异常通过适当的量子数分配被消除。
• 扩展的标量场 sector 提供了介导层级费米子质量与中微子质量生成所必需的希格斯场。