[论文解读] Toward Realistic Gauge-Higgs Grand Unification

Atsushi Furui, Yutaka Hosotani+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种在Randall-Sundrum翘曲额外维中的SO(11)规范-Higgs统一模型，其中四维Higgs粒子源自第五维规范势的零模。电弱对称性通过Hosotani机制动态实现自发对称性自发破缺，夸克-轻子质量谱通过膜上相互作用和Hosotani机制重现，但预测的Higgs粒子质量低于观测值，且存在额外费米子。

ABSTRACT

The $SO(11)$ gauge-Higgs grand unification in the Randall-Sundrum warped space is presented. The 4D Higgs field is identified as the zero mode of the fifth dimensional component of the gauge potentials, or as the fluctuation mode of the Aharonov-Bohm phase $θ_H$ along the fifth dimension. Fermions are introduced in the bulk in the spinor and vector representations of $SO(11)$. $SO(11)$ is broken to $SO(4) imes SO(6)$ by the orbifold boundary conditions, which is broken to $SU(2)_L imes U(1)_Y imes SU(3)_C$ by a brane scalar. Evaluating the effective potential $V_{ m eff} (θ_H)$, we show that the electroweak symmetry is dynamically broken to $U(1)_{ m EM}$. The quark-lepton masses are generated by the Hosotani mechanism and brane interactions, with which the observed mass spectrum is reproduced. The proton decay is forbidden thanks to the new fermion number conservation. It is pointed out that there appear light exotic fermions. The Higgs boson mass is determined with the quark-lepton masses given, which, however, turns out smaller than the observed value.

研究动机与目标

• 通过在翘曲额外维中将标准模型嵌入SO(11)规范理论，将规范-Higgs统一扩展至大统一理论。
• 通过Hosotani机制动态实现电弱对称性自发破缺，同时保持质子稳定。
• 通过膜上相互作用和Hosotani机制重现观测到的夸克-轻子质量谱。
• 通过计算有效势和Higgs质量评估模型的可行性，识别出如Higgs粒子过轻和存在额外费米子等局限性。

提出的方法

• 将四维Higgs实现为规范场第五维分量的零模，或作为第五维上Aharonov-Bohm相位θH的量子涨落。
• 通过orbifold边界条件将SO(11)对称性破缺至SO(4)×SO(6)，再通过Planck膜上的膜标量破缺至SU(2)L×U(1)Y×SU(3)C。
• 利用Hosotani机制通过威尔逊线圈的非平凡真空期望值动态实现SU(2)L×U(1)Y对称性自发破缺至U(1)EM。
• 构建有效势V_eff(θH)以确定真空结构和对称性破缺模式。
• 在体中引入SO(11)的旋量和矢量表示的费米子，通过膜上相互作用引入质量项和Yukawa型耦合。
• 使用贝塞尔函数计算Kaluza-Klein模函数，并通过一阶量子修正有效势确定Higgs质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型中的Higgs粒子是否能自然地作为翘曲时空中更高维规范场的分量实现？
• RQ2 在大统一框架下，电弱对称性自发破缺模式能否通过Hosotani机制动态生成？
• RQ3 在规范-Higgs大统一模型中，是否能以最小的场内容重现观测到的夸克-轻子质量谱？
• RQ4 该模型中预测的Higgs粒子质量是多少，与观测值相比如何？
• RQ5 在该SO(11)大统一模型中，质子衰变和其他味改变过程是否自然被抑制？

主要发现

• 电弱对称性通过Hosotani机制动态破缺至U(1)EM，真空在Aharonov-Bohm相位θH的非零值处稳定。
• 夸克-轻子质量谱通过Hosotani机制与膜上局域化相互作用的协同作用成功重现。
• 该模型预测的Higgs粒子质量低于观测值，表明需要进一步改进模型。
• 由于新费米子数对称性的存在，质子衰变被禁止，从而保证了质子的长寿命。
• 谱中出现了轻的额外费米子，这是此类模型的普遍特征。
• 有效势V_eff(θH)是有限的，并在θH ≈ 0.1处出现最小值，与标准模型的Higgs耦合一致。