[论文解读] Neutron Majorana mass from Exotic Instantons in a Pati-Salam model

Andrea Addazi, Massimo Bianchi|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文提出了一种具有奇异弦论瞬子的Pati-Salam模型，通过色二夸克六重态之间的有效相互作用，生成中子的Majorana质量，从而导致$n$-$\bar{n}$振荡。该机制避免了快速质子衰变，并在下一代$n$-$\bar{n}$跃迁实验中提供了可检验的信号，同时在统一框架下解决了中微子质量、重子生成、暗物质以及希格斯层次问题。

ABSTRACT

We show how exotic stringy instantons can generate an effective interaction between color diquark sextets in a Pati-Salam model, inducing a Majorana mass term for the neutron. In particular, we discuss a simple quiver theory for a Pati-Salam like model, as an example in which the calculations of exotic instantons' effects are simple and controllable. We discuss some different possibilities in order to generate $n-\bar{n}$ oscillation testable in the next generation of experiments, Majorana mass matrices for neutrini and a Post-Sphaleron Baryogenesis scenario. Connections with Dark Matter issues and the Higgs mass Hierarchy problem are discussed, in view of implications for LHC and rare processes physics. The model may be viewed as a completion of Left-Right symmetry, alternative to a GUT-inspired scenario. Combined measures in Neutron-Antineutron physics, FCNC, LHC, Dark Matter could rule out the proposed model or uncover aspects of physics at the Planck scale!

研究动机与目标

• 探索一种非GUT、受弦论启发的Pati-Salam模型，该模型在不引发快速质子衰变的情况下生成中子Majorana质量。
• 研究D-brane晶格模型中的奇异瞬子如何通过色六重态二夸克介导$|\Delta B|=2$过程。
• 将中子$n$-$\bar{n}$振荡与后重子生成、中微子质量生成以及暗物质候选者联系起来。
• 通过LHC、FCNC过程和稀有衰变的约束评估该模型的可行性。
• 通过TeV尺度的$Z'$玻色子（基于Stueckelberg机制）解决希格斯层次问题，避免需要弦尺度截断。

提出的方法

• 基于IIA型弦紧化中的相交D-brane构造一个晶格规范理论，实现Pati-Salam $SU(2)_L \times SU(2)_R \times SU(4)_c$规范群。
• 将$G_{224}$群中的$\Delta^c(1,3,10)$场识别为分解为色六重态二夸克$\Delta^c_{q^c q^c}(1,3,6)_{2/3}$和一个右手性中微子单态$\Delta^c_{\nu^c \nu^c}(1,3,1)_{-2}$。
• 利用非微扰奇异瞬子生成一个涉及三个六重态二夸克和一个右手性中微子的四费米子有效相互作用，从而导致中子Majorana质量项。
• 通过瞬子诱导的有效相互作用计算中子$n$-$\bar{n}$跃迁率，估计$\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$。
• 分析该模型的理论物理现象学，包括六重态质量的FCNC约束（$m_{\Delta^c} \gtrsim \text{TeV}$）、$Z'$玻色子现象学，以及通过中性子-斯图克尔贝格轴子混合产生的暗物质候选者。
• 通过质量$ m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$ 的$Z'$玻色子评估该模型与希格斯层次问题的相容性，其质量通过$M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$尺度的Stueckelberg机制稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在D-brane晶格模型中，奇异瞬子能否在不引发快速质子衰变的情况下生成中子的Majorana质量？
• RQ2 该Pati-Salam模型中预测的$n$-$\bar{n}$振荡寿命是多少？是否可在即将开展的实验中检验？
• RQ3 色六重态二夸克如何影响FCNC过程？这些过程对六重态质量施加了何种质量限制？
• RQ4 该模型能否同时解决中微子质量、重子生成、暗物质和希格斯层次问题？
• RQ5 该模型所预测的$Z'$玻色子及其他新粒子的对撞机和天体物理信号是什么？

主要发现

• 奇异瞬子生成了色二夸克六重态之间的有效相互作用，导致中子Majorana质量项，预测的$n$-$\bar{n}$跃迁寿命为$\tau_{n-\bar{n}} \approx 10^{10}\,\text{s}$，可被下一代实验探测。
• 该模型避免了快速质子衰变，因为$|\Delta B|=1$过程被禁止，从而保证了质子的稳定性。
• 来自$B^0$-$\bar{B}^0$、$K^0$-$\bar{K}^0$和$D^0$-$\bar{D}^0$振荡的FCNC约束表明，当耦合常数约为$10^{-2}$时，色六重态质量必须超过TeV尺度。
• 该模型预测了一个来自异常$U(1)$规范对称性的$Z'$玻色子，其质量$ m_{Z'} \sim 1\text{--}10\,\text{TeV}$，并通过$M_S \sim 10\text{--}10^3\,\text{TeV}$尺度的Stueckelberg机制稳定，从而缓解了希格斯层次问题。
• 暗物质候选者来自中性子-斯图克尔贝格轴子混合，提供了一个与模型规范结构相容的WIMP型候选者。
• 该模型预测了一个类似$0\nu 2\beta$衰变的过程，涉及一个奇异子$S$，其约束表明$\mu_S > 10\,\text{keV}$，且可能存在通过$nn \to S$过程导致核子消失的衰变，其速率被抑制至$\sim 10^{40}\,\text{yr}$。