[论文解读] Combining Pati-Salam and Flavour Symmetries

Thorsten Feldmann, Florian Hartmann+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种扩展了规范 flavour 对称性的 Pati-Salam 大统一理论（GUT），其中通过可重整化耦合，由重的费米子伙伴和标量场（flavons）介导自发 flavour 对称性破缺。该模型通过单态和三重态 flavon 的真空期望值（VEVs）生成了夸克和轻子的现实 Yukawa 矩阵，导致第三代 flavour 以及电弱精确测量可观测到的偏离，同时满足轻 flavour 物理的约束。

ABSTRACT

We construct an extension of the Standard Model (SM) which is based on grand unification with Pati-Salam symmetry. The setup is supplemented with the idea of spontaneous flavour symmetry breaking which is mediated through flavon fields with renormalizable couplings to new heavy fermions. While we argue that the new gauge bosons in this approach can be sufficiently heavy to be irrelevant at low energies, the fermionic partners of the SM quarks, in particular those for the third generation, can be relatively light and provide new sources of flavour violation. The size of the effects is constrained by the observed values of the SM Yukawa matrices, but in a way that is different from the standard minimal-flavour violation approach. We determine characteristic deviations from the SM that could eventually be observed in future precision measurements.

研究动机与目标

• 构建一个可重整化的 Pati-Salam GUT 模型，通过 flavon 场实现自发 flavour 对称性破缺。
• 在不依赖最小 flavour 破坏假设的前提下，解释标准模型 Yukawa 矩阵的层次结构。
• 在电弱和 flavour 观测量中识别出可测量的偏离，特别是涉及第三代夸克的偏离。
• 确保与 $K$-$\overline{K}$ 粒子混合和稀有 kaon 衰变所施加的间接 flavour 约束一致。
• 通过额外的 flavon 结构，将框架扩展以包含现实的带电轻子和中微子质量。

提出的方法

• 为每个 SM 夸克世代引入变换于 Pati-Salam 规范群和 flavour 对称性的重矢量型费米子伙伴。
• 引入一个 $Z_2$ 对称性，关联两个 $SU(2)$ 因子，以确保模型中左右对称性。
• 引入变换于 $SU(2) \times SU(2)'$ 因子的矩阵型 flavon 场，作为单态和三重态，以破缺 flavour 对称性。
• 利用 flavon 场的真空期望值生成有效 Yukawa 耦合：$Y_{u,d} \sim \text{flavon VEV 的逆}$，由于不同 flavon 贡献，导致 $Y_u \neq Y_d$。
• 应用一系列基变换以对角化费米子质量矩阵，从而得到规范当前的有效 $\mathcal{K}$-矩阵。
• 推导出近似质量基中规范相互作用的近似质量表达式，包括至 $\mathcal{O}(\epsilon^3)$ 的修正，以计算 flavour 破坏效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过规范 flavour 对称性扩展 Pati-Salam GUT，以生成现实的 Yukawa 纹理？
• RQ2 flavon VEV——特别是单态和三重态表示——在区分上型和下型夸克 Yukawa 矩阵中起到什么作用？
• RQ3 该模型能否在与第一代和第二代 flavour 观测量一致的前提下，产生可测量的第三代 flavour 破坏效应？
• RQ4 重费米子伙伴的规范相互作用如何在近似质量基中修改 $W$ 和 $Z$ 玻色子的有效 $\mathcal{K}$-矩阵？
• RQ5 该框架能否通过引入具有适当量子数的额外 flavon 场，系统地扩展以包含现实的带电轻子和中微子质量？

主要发现

• 通过 $SU(2)$ 单态和三重态 flavon 的独立 VEV，模型实现了 $Y_u \neq Y_d$，从而能够生成现实的夸克质量与混合角。
• 顶夸克伙伴 $t'$ 被预测为相对较轻，且与 SM 顶夸克有显著混合，因此可能在 LHC 上被探测到。
• flavour 破坏效应在第三代中被强烈增强，导致电弱精确测量可观测到显著偏离。
• 由于 flavour 对称性破缺的结构，$K$-$\overline{K}$ 混合和稀有 kaon 衰变所施加的间接约束自然地得到满足。
• 在近似质量基中，$W$ 和 $Z$ 玻色子的有效 $\mathcal{K}$-矩阵包含了 $\mathcal{O}(\epsilon^3)$ 修正，这些修正编码了主要的 flavour 破坏贡献。
• 通过引入具有适当量子数的额外 flavon 场，该框架可系统地扩展以包含带电轻子和中微子质量。