[论文解读] A Sinister Extension of the Standard Model to SU(3)XSU(2)XSU(2)XU(1)

Sheldon L. Glashow|ArXiv.org|Apr 29, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

本文提出了一种基于规范群 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$ 的标准模型的阴险扩展，引入了‘类费米子’——普通费米子的重质量镜像伙伴——并通过一种新颖的 $CP'$ 对称性将其联系起来。规范群中 Higgs sector 的软 $CP'$ 破坏生成了类费米子和 $W'$、$Z'$ 玻色子的大质量，同时使狄拉克型中微子质量保持微小，并预测了稳定、电磁束缚的类氦原子作为可行的暗物质候选者。

ABSTRACT

This paper describes work done in collaboration with Andy Cohen. In our model, ordinary fermions are accompanied by an equal number `terafermions.' These particles are linked to ordinary quarks and leptons by an unconventional CP' operation, whose soft breaking in the Higgs mass sector results in their acquiring large masses. The model leads to no detectable strong CP violating effects, produces small Dirac masses for neutrinos, and offers a novel alternative for dark matter as electromagnetically bound systems made of terafermions.

研究动机与目标

• 通过引入具有 $CP'$ 不变量的镜像规范 sector 来解决强 $CP$ 问题。
• 在不引入马约拉纳项的前提下，提供一种自然机制以生成微小的狄拉克型中微子质量。
• 以稳定、电磁束缚的类氦原子形式提出一种新颖的暗物质候选者。
• 确保与对重稳定粒子和暗物质搜寻的实验约束相容。
• 通过夸克与反夸克之间精确的抵消，解释强 $CP$ 破坏的缺失。

提出的方法

• 引入一个规范群 $SU(3)\times SU(2)\times SU(2)'\times U(1)$，其中两个独立的 $SU(2)$ 因子分别对应普通费米子与类费米子。
• 假设一种新的 $CP'$ 对称性，其将普通费米子映射为它们类等价物的 $CP$ 共轭，反之亦然。
• 通过在双 Higgs 双重态规范中引入维度为 2 的质量项来实现软 $CP'$ 破坏：一个 $SU(2)$ 双重态（$h$）和一个 $SU(2)'$ 双重态（$h'$）。
• 要求守恒味流 $\mathcal{F} = (B-L) - (B'-L')$，以禁止普通费米子与类费米子之间的混合。
• 通过 $CP'$ 不变量强制 $\lambda' = \lambda^*$，确保类费米子质量为普通对应物的 $S$ 倍。
• 利用大真空期望值 $\langle h' \rangle = S \langle h \rangle \gg 250~\text{GeV}$ 生成质量极重的类费米子，其中 $S > 2\times 10^5$。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过 $CP'$ 对称的 SM 扩展在不引入新的强 $CP$ 破坏相位的前提下解决强 $CP$ 问题？
• RQ2 该模型是否能自然地生成微小的狄拉克型中微子质量，同时禁止无中微子双贝塔衰变？
• RQ3 由 $UUU^{++}$ 核与两个 $E^-$ 电子组成的稳定、电磁束缚的类氦原子是否构成可行的暗物质候选者？
• RQ4 当前对暗物质和重稳定粒子的搜寻对类费米子 sector 的质量标度 $S$ 施加了何种约束？
• RQ5 遗迹类费米子是否能有效聚集成稳定、电中性的类氦原子？此类状态是否与宇宙学和天体物理约束一致？

主要发现

• 强 $CP$ 问题通过普通夸克与更重的反夸克之间 $\bar{\theta}$ 贡献的精确抵消得以解决。
• 中微子通过类似 seesaw 的机制获得极小的狄拉克质量，且无中微子双贝塔衰变被严格禁止。
• 最轻的带电类费米子 $E^-$ 是稳定的，其质量为 $S \times 511~\text{keV}$，为满足重稳定轻子搜寻约束，需 $S > 2 \times 10^5$。
• 类夸克与类轻子经历放热交换反应，在核合成之前高效聚集成 $UUU$ 重子与 $UUUEE$ 类氦原子。
• 预测的类氦原子与光子的比值为 $\eta_{B'} \approx 3 \times 10^{-13} S_6$，其中 $S_6 = S / 10^6$，表明聚集体程度极高。
• 类氦原子与核子相互作用的主要截面来自 $UUU^{++}$ 核的磁偶极矩，为避开当前暗物质探测限制，需 $S > 10^6$（即类氦原子质量 > 10 TeV）。