[论文解读] Top SU(5) Model: Baryon and Lepton Number Violations at the TeV Scale
该论文提出一个顶夸克型 SU(5) 模型，其中核子数和轻子数违反发生在汤普森能标（TeV）尺度，通过第三代费米子相互作用实现，从而在大型强子对撞机（LHC）上可探测到 (bτ) 共振态。该模型在保持质子稳定的同时，通过顶夸克和陶子的耦合实现可观测的核子数和轻子数违反，为标准模型之外的新物理提供了一个可检验的框架。
There is no fundamental reason for the baryon and lepton numbers to be the exact symmetries of nature. In fact, baryon asymmetry of the universe requires baryon violation at some scale. Unification of quarks and lepton in grand unified theories naturally leads to baryon and lepton number violation. However, the remarkable stability of the proton dictates that the masses of the gauge bosons mediating such interactions among the first two families to be ~10^{16} GeV. But, the baryon and lepton number violating interactions involving only the third family of the Standard Model fermions are not much constrained experimentally if the quark CKM mixings arise solely from the down-type quark sector. We propose a top SU(5) model where such violations happen at the TeV scale leading to the (b tau) resonance which can be discovered at the Large Hadron Collider.
研究动机与目标
- 通过抑制第一代和第二代费米子的核子数和轻子数违反，解决大统一理论中质子衰变的层次问题。
- 通过在可探测能量尺度下的核子数和轻子数违反相互作用，解释宇宙中观测到的核子数不对称性。
- 提出一个现实模型，其中此类违反仅由第三代费米子介导，避免来自质子衰变实验的约束。
- 通过大型强子对撞机上 (bτ) 共振态的探测，实现新物理的实验发现。
提出的方法
- 构建一个顶夸克型 SU(5) 模型，其中介导核子数和轻子数违反的规范玻色子通过来自下夸克扇区的 CKM 混合被限制在第三代。
- 利用顶夸克和陶子的质量增强耦合强度，导致在汤普森能标下产生 b 和 τ 最终态的共振。
- 通过味结构抑制涉及第一代和第二代费米子的相互作用，确保模型保持质子稳定。
- 在具有 SU(5) 规范对称性的大统一框架内实现该模型，但在汤普森能标处显式破缺为标准模型。
- 分析 (bτ) 共振态的理论物理现象，包括其产生截面和衰变通道，以评估在大型强子对撞机上的可发现性。
实验结果
研究问题
- RQ1是否可以在不与质子衰变约束冲突的前提下，在汤普森能标实现核子数和轻子数违反？
- RQ2下夸克扇区中的 CKM 混合如何影响核子数和轻子数违反相互作用的味结构？
- RQ3在此模型中，(bτ) 共振态在大型强子对撞机上的信号特征和可探测性如何？
- RQ4该模型是否能同时解释核子数不对称性并避免质子衰变的过度产生？
主要发现
- 该模型仅通过第三代费米子实现核子数和轻子数违反，避免了来自质子衰变实验的强烈约束。
- 由于顶夸克和陶子质量带来的增强耦合，(bτ) 共振态在汤普森能标下成为主导信号。
- 该模型预测在大型强子对撞机上存在可观测信号，其产生截面足以在 Run 2 或未来运行中被探测到。
- 介导核子数和轻子数违反的规范玻色子足够重，可抑制第一代和第二代费米子的相互作用，从而保持质子稳定。
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