[论文解读] Radiatively generated hierarchy of lepton and quark masses

A. E. Cárcamo Hernández, Sergey A. Kovalenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种基于软性破坏的 S3 × Z2 离散对称性的最小辐射模型，用于解释标准模型费米子质量的层级结构。该模型在树图级生成顶夸克质量，在一阶圈图生成底夸克/顶夸克/粲夸克/τ轻子/μ子质量，在二阶圈图生成轻夸克/电子质量，在四阶圈图生成轻中微子质量，仅通过一个标准模型希格斯双态和三个中性单态标量实现。该模型预测了一个可行的标量暗物质候选者（η），并具有约 2.5 TeV 的截断能标，其中新型费米子和标量粒子的质量集中在 750 GeV 附近，可能在大型强子对撞机（LHC）上被检验。

ABSTRACT

We propose a model for radiatively generating the hierarchy of the Standard Model (SM) fermion masses: tree-level top quark mass; 1-loop bottom, charm, tau and muon masses; 2-loop masses for the light up, down and strange quarks as well as for the electron; and 4-loop masses for the light active neutrinos. Our model is based on a softly-broken $S_{3} imes Z_{2}$ discrete symmetry. Its scalar sector consists only of one SM Higgs doublet and three electrically neutral SM-singlet scalars. We do not need to invoke either electrically charged scalar fields, or an extra $SU_{2L}$ scalar doublet, or the spontaneous breaking of the discrete group, which are typical for other radiative models in the literature. The model features a viable scalar dark matter candidate.

研究动机与目标

• 通过逐级圈图抑制机制解释从顶夸克到轻中微子的观测到的标准模型费米子质量层级。
• 构建一个最小的标准模型扩展，避免出现带电标量、额外的希格斯双态或自发性离散对称性破缺——这些在其他辐射模型中常见。
• 在模型中识别一个可行的标量暗物质候选者，具体为 Z2 奇宇称的单态标量 η。
• 从一阶和二阶圈图费米子质量出发，估算有效场论的截断能标 Λ ≈ 2.5 TeV，并探讨通过重标量和费米子媒介子实现紫外完备化的可能性。
• 评估该模型的实验可行性，包括宇宙学剩余密度约束以及大型强子对撞机（LHC）对新型色胶子和带电费米子的搜索前景。

提出的方法

• 通过实现一个软性破坏的 S3 × Z2 全局对称性，使不同圈图层级的 Yukawa 耦合受到抑制：顶夸克在树图级，底夸克、粲夸克、τ轻子、μ子在一阶圈图，轻夸克和电子在二阶圈图，轻活性中微子在四阶圈图。
• 引入一个标准模型希格斯双态和三个中性标准模型单态标量（σ1, σ2, η），其中 σ 在 S3 × Z2 下变换为双重态，η 为单态。
• 引入奇异性 SU(2)L 单态费米子（T, B, E 等），赋予其特定的 S3 × Z2 量子数，通过维度为 5 和 7 的非重正化 Yukawa 作用在圈图中诱导质量。
• 通过 Z2 的软性破坏（作用于费米子）和 S3 的软性破坏（作用于 σ）引入圈图中的质量插入项，从而生成层级质量模式。
• 通过 Weinberg 算符推导四阶圈图中微子质量，其受 Λ⁴ 抑制，并表明该模型自然地产生一个无质量与两个非零质量的中微子本征态。
• 通过引入重标量和费米子状态（ξ, Φ, χ, ϕ, ρ）实现紫外完备化，这些状态通过可重正化的顶点生成非重正化算符，且所有耦合在 S3 × Z2 下变换为单态。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个最小的标准模型扩展是否能通过逐级圈图抑制机制，在不引入额外带电标量或 SU(2)L 双重态的情况下，生成从顶夸克到轻中微子的完整费米子质量层级？
• RQ2 为实现在保持规范与全局对称性的同时生成四阶圈图中微子质量，所需的最小标量与费米子谱是什么？
• RQ3 该模型是否允许一个与宇宙学剩余密度约束相容的可行标量暗物质候选者？
• RQ4 该有效场论的截断能标 Λ 的估计值是多少？它与观测到的费米子质量有何关系？
• RQ5 该模型所预测的新型色胶子和带电费米子在大型强子对撞机（LHC）上的信号特征是什么？它们是否可通过二胶子或二轻子末态被探测？

主要发现

• 该模型通过圈图抑制机制生成了标准模型费米子的质量层级：顶夸克在树图级，底夸克、粲夸克、τ轻子、μ子在一阶圈图，轻夸克和电子在二阶圈图，轻活性中微子在四阶圈图。
• 截断能标 Λ 估计约为 2.5 TeV，依据是一阶和二阶圈图对夸克质量的贡献。
• 轻中微子质量谱包含一个无质量态和两个非零质量本征态，与中微子振荡实验数据一致。
• Z2 奇宇称的标量 η 是一个可行的标量暗物质候选者，在 mη ≈ 750 GeV 且 λh²η² ≤ 1 的条件下，其剩余密度 Ωh² ≈ 0.1198 可实现。
• 该模型预测所有非标准模型粒子的质量尺度约为 750 GeV，包括新型夸克和带电轻子，使其在大型强子对撞机（LHC）上可能被探测。
• 通过重标量和费米子状态（ξ, Φ, χ, ϕ, ρ）实现紫外完备化，通过可重正化相互作用生成所需的非重正化算符，同时保持 S3 × Z2 对称性。