[论文解读] A realistic pattern of fermion masses from a five-dimensional SO(10) model

Ferruccio Feruglio, Ketan M. Patel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种五维超对称SO(10)大统一模型，其规范组为$S^1/(ℤ_2 \times ℤ_2')$轨道，费米子质量层次结构源于体质量引起的指数型波函数分布。该模型成功再现了观测到的费米子质量与混合角，预测了正常 neutrino 质量排序，$m_1 < 0.01$ eV，且倾向于高度分层的右手中微子谱，与热重加热生成机制不相容。

ABSTRACT

We provide a unified description of fermion masses and mixing angles in the framework of a supersymmetric grand unified SO(10) model with anarchic Yukawa couplings of order unity. The space-time is five dimensional and the extra flat spatial dimension is compactified on the orbifold $S^1/(Z_2 \ imes Z_2')$, leading to Pati-Salam gauge symmetry on the boundary where Yukawa interactions are localised. The gauge symmetry breaking is completed by means of a rather economic scalar sector, avoiding the doublet-triplet splitting problem. The matter fields live in the bulk and their massless modes get exponential profiles, which naturally explain the mass hierarchy of the different fermion generations. Quarks and leptons properties are naturally reproduced by a mechanism, first proposed by Kitano and Li, that lifts the SO(10) degeneracy of bulk masses in terms of a single parameter. The model provides a realistic pattern of fermion masses and mixing angles for large values of $\ an\\beta$. It favours normally ordered neutrino mass spectrum with the lightest neutrino mass below 0.01 eV and no preference for leptonic CP violating phases. The right handed neutrino mass spectrum is very hierarchical and does not allow for thermal leptogenesis. We analyse several variants of the basic framework and find that the results concerning the fermion spectrum are remarkably stable.

研究动机与目标

• 通过高维框架解决SO(10)大统一理论中的费米子质量层次与味结构问题。
• 通过轨道紧化实现规范对称性破缺，解决二重态-三重态分裂问题。
• 利用单一参数控制体质量，自然解释夸克与轻子观测到的质量层次与混合模式。
• 检验该模型在再现低能费米子可观测量（包括中微子质量与混合角）方面的可行性。
• 评估该模型对轻子生成机制及右手中微子质量谱的影响。

提出的方法

• 在轨道$S^1/(\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2')$上紧化五维时空，将SO(10)对称性破缺为固定膜上的Pati-Salam规范对称性。
• 将Yukawa相互作用局域在膜上，而物质场在体中传播，导致指数型局域化的零模波函数。
• 为物质场引入体质量，生成分层的波函数分布，通过单一参数解释费米子质量层次。
• 通过一个体标量多重态实现自发SO(10)破缺至SU(5)×U(1)_X，以区分夸克与轻子扇区。
• 采用Kitano-Li机制提升体质量简并性，生成现实的Yukawa纹理。
• 求解5D卡鲁扎-克莱因零模方程，以Cabibbo角$\lambda$表示波函数矩阵，并与观测到的费米子质量与混合匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有非规Yukawa耦合的5D SO(10) GUT能否再现观测到的费米子质量层次与混合角？
• RQ2 在紧致化额外维中，体质量引起的波函数局域化如何解释费米子质量的分层结构？
• RQ3 轨道紧化对规范对称性破缺及二重态-三重态分裂问题的解决有何影响？
• RQ4 该模型是否预测了可行的中微子质量谱？对轻子生成机制有何启示？
• RQ5 当模型参数与结构发生改变时，费米子质量预测的稳定性如何？

主要发现

• 对于较大的$\tan\beta$值，该模型成功再现了费米子质量与混合角的观测模式。
• 预测中微子质量谱为正常排序，最轻的中微子质量低于0.01 eV。
• 该模型对大轻子CP破坏相位无偏好，与当前实验约束一致。
• 右手中微子质量谱高度分层，由于再加热温度不足，不利于热重加热生成机制。
• 夸克与轻子的Yukawa矩阵具有特定复相位与分层结构，与Cabibbo角展开一致。
• 在多种模型变体中，结果表现出显著稳定性，表明费米子谱预测具有强鲁棒性。