在對撞機中實現對左右對稱性的精確預測

Q: 左右對稱模型如何與其他超越標準模型的理論聯繫起來，例如大統一理論？

左右對稱模型 (LRSM) 可以被視為許多大統一理論 (GUT) 的一個低能有效理論，例如基於 SO(10) 或 Pati-Salam 模型的 GUT。 這些 GUT 模型試圖在更高的能量尺度上統一標準模型的所有規範交互作用，並預測額外的規範玻色子和費米子，這些粒子可以在 LRSM 中找到。 以下是 LRSM 與 GUT 之間聯繫的一些具體例子： 規範群嵌入： LRSM 的規範群 SU(3)c ⊗ SU(2)L ⊗ SU(2)R ⊗ U(1)B−L 可以自然地嵌入到更大的 GUT 規範群中，例如 SO(10) 或 SU(4)C ⊗ SU(2)L ⊗ SU(2)R。 費米子統一： 在 SO(10) GUT 中，所有 16 個標準模型費米子（包括右手微中子）都屬於單一的一個表示。這自然地引入了右手微中子，並為 LRSM 中的 seesaw 機制提供了動機。 規範耦合統一： GUT 預測標準模型的規範耦合常數在 GUT 尺度上會統一。LRSM 中額外的規範玻色子和費米子會影響這些耦合常數的運行，並且可以通過精確測量來檢驗 GUT 的預測。 因此，LRSM 可以被視為連接標準模型和 GUT 的橋樑，並為探索更高能量尺度的物理提供了獨特的視角。

Q: 如果在大型強子對撞機或未來對撞機上沒有發現重規範玻色子，對左右對稱模型有何影響？

如果在大型強子對撞機 (LHC) 或未來對撞機上沒有發現重規範玻色子（例如 WR 或 ZR），這將對 LRSM 的參數空間施加強烈的限制。 以下是沒有發現重規範玻色子對 LRSM 的一些影響： LR 對稱破壞尺度： WR 和 ZR 的質量與 LR 對稱破壞尺度 vR 直接相關。如果沒有發現這些粒子，則意味著 vR 必須比 LHC 的能量尺度更高，這可能會使 LRSM 中的其他預測（例如重微中子和額外希格斯玻色子）難以在對撞機實驗中被檢測到。 精細調節問題： LRSM 中的希格斯粒子的質量會受到來自重規範玻色子的量子修正。如果 vR 非常高，則需要對模型參數進行精細調節才能使希格斯粒子的質量保持在電弱尺度。 其他 LRSM 變體： 沒有發現重規範玻色子可能會促使人們考慮 LRSM 的其他變體，例如具有不同規範群或希格斯 sector 的模型。 然而，即使沒有直接發現重規範玻色子，LRSM 仍然可以通過其他實驗觀測得到間接的限制或支持，例如： 微中子質量和混合： LRSM 中的 seesaw 機制可以自然地解釋微中子質量，並預測重微中子的存在。 輕子味破壞過程： LRSM 預測了新的輕子味破壞過程，例如 µ → eγ 和 µ → 3e，這些過程可能會在未來實驗中被觀測到。 宇宙學觀測： LRSM 中的重微中子可以作為暗物質的候選者，並且可能會在宇宙微波背景輻射或星系團的觀測中留下印記。 總之，雖然沒有發現重規範玻色子會對 LRSM 造成挑戰，但它並不會完全排除這種模型。其他實驗和觀測結果對於檢驗 LRSM 和探索超越標準模型的新物理仍然至關重要。

Q: 左右對稱模型的哪些方面可以提供對早期宇宙的洞察力，例如重子生成或暗物質的性質？

LRSM 提供了一些有趣的機制，可以解釋早期宇宙中的一些現象，例如重子生成和暗物質的性質： 重子生成: LRSM 自然地包含了重子數破壞的交互作用，這是 Sakharov 重子生成條件之一。此外，LRSM 中的 seesaw 機制引入了重微中子，它們的 CP 破壞衰變可以通過輕子生成過程產生重子不對稱性，這被稱為輕子生成重子生成機制 (leptogenesis)。 暗物質: LRSM 中的右手微中子可以作為暗物質的候選者。如果它們的質量在 keV 到 GeV 尺度，它們可以構成溫暗物質 (warm dark matter)，並對宇宙的大尺度結構產生影響。此外，LRSM 中的其他粒子，例如最輕的中性希格斯玻色子，也可以作為暗物質的候選者。 以下是一些更詳細的例子： 高溫輕子生成: 在早期宇宙的高溫環境中，重右手微中子可以通過它們的 Yukawa 耦合與希格斯玻色子發生交互作用而產生。如果這些交互作用違反 CP 對稱性，則重微中子的衰變可以產生輕子不對稱性，進而通過 sphaleron 過程轉化為重子不對稱性。 keV 尺度的右手微中子暗物質: 如果右手微中子的質量在 keV 尺度，它們可以作為溫暗物質的候選者。它們的衰變可以產生 X 射線光子，這可能會在星系團的觀測中被探測到。 非熱產生暗物質: LRSM 中的額外希格斯玻色子可以通過非熱產生機制產生暗物質，例如在早期宇宙的相變過程中。 總之，LRSM 為探索早期宇宙的物理提供了豐富的可能性，並可能為重子生成和暗物質的性質提供新的見解。未來的實驗和觀測結果將有助於檢驗這些想法，並加深我們對宇宙起源和演化的理解。

核心概念

本文深入探討了最小左右對稱模型的結構，以實現對規範玻色子、標量玻色子和微中子等粒子物理現象的精確預測，並開發了一個全面的 FeynRules 模型文件，為粒子對撞機實驗提供理論依據和模擬工具。

摘要

論文資訊

標題：在對撞機中實現對左右對稱性的精確預測
作者：Jonathan Kriewald、Miha Nemevšek 和 Fabrizio Nesti
發表日期：2024 年 10 月 25 日

研究背景

標準模型成功地描述了基本粒子和它們之間的相互作用，但它無法解釋一些現象，例如微中子的質量和弱相互作用中的宇稱不守恆。左右對稱模型試圖通過引入新的規範玻色子和標量粒子來解決這些問題。

模型描述

最小左右對稱模型基於規範群 SU(3)c ⊗ SU(2)L ⊗ SU(2)R ⊗ U(1)B−L，並包含一個雙峰態標量場和兩個三重態標量場。該模型預測了新的重規範玻色子 (WR 和 ZR)、重微中子和額外的標量粒子。

主要成果

本文推導了規範玻色子、標量粒子和微中子的完整質譜和混合。
開發了一個新的物理輸入方案，用質量和混合角表示模型耦合。
使用 Cayley-Hamilton 定理找到了微中子狄拉克混合的解析解。
計算了單圈 QCD 修正。
開發了一個全面的 FeynRules 模型文件，包括不同規範、無質量態、微中子層次結構和宇稱破壞 gL ≠ gR 規範耦合的變體。

現象學含義

該模型文件可用於研究大型強子對撞機和其他未來對撞機上的左右對稱模型的現象學。它允許對各種信號進行精確預測，例如重規範玻色子的產生和衰變、重微中子的產生以及標量粒子的性質。

總結

本文為研究最小左右對稱模型提供了一個全面的框架。開發的 FeynRules 模型文件將成為探索 TeV 尺度物理和尋找新物理信號的寶貴工具。

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引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Enabling Precise Predictions for Left-Right Symmetry at Colliders

by Jona... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.07756.pdf

Enabling Precise Predictions for Left-Right Symmetry at Colliders

深入探究

左右對稱模型如何與其他超越標準模型的理論聯繫起來，例如大統一理論？

左右對稱模型 (LRSM) 可以被視為許多大統一理論 (GUT) 的一個低能有效理論，例如基於 SO(10) 或 Pati-Salam 模型的 GUT。 這些 GUT 模型試圖在更高的能量尺度上統一標準模型的所有規範交互作用，並預測額外的規範玻色子和費米子，這些粒子可以在 LRSM 中找到。
以下是 LRSM 與 GUT 之間聯繫的一些具體例子：

規範群嵌入： LRSM 的規範群  SU(3)c ⊗ SU(2)L ⊗ SU(2)R ⊗ U(1)B−L 可以自然地嵌入到更大的 GUT 規範群中，例如 SO(10) 或 SU(4)C ⊗ SU(2)L ⊗ SU(2)R。
費米子統一： 在 SO(10) GUT 中，所有 16 個標準模型費米子（包括右手微中子）都屬於單一的一個表示。這自然地引入了右手微中子，並為 LRSM 中的 seesaw 機制提供了動機。
規範耦合統一： GUT 預測標準模型的規範耦合常數在 GUT 尺度上會統一。LRSM 中額外的規範玻色子和費米子會影響這些耦合常數的運行，並且可以通過精確測量來檢驗 GUT 的預測。
因此，LRSM 可以被視為連接標準模型和 GUT 的橋樑，並為探索更高能量尺度的物理提供了獨特的視角。

如果在大型強子對撞機或未來對撞機上沒有發現重規範玻色子，對左右對稱模型有何影響？

如果在大型強子對撞機 (LHC) 或未來對撞機上沒有發現重規範玻色子（例如 WR 或 ZR），這將對 LRSM 的參數空間施加強烈的限制。
以下是沒有發現重規範玻色子對 LRSM 的一些影響：

LR 對稱破壞尺度：  WR 和 ZR 的質量與 LR 對稱破壞尺度 vR 直接相關。如果沒有發現這些粒子，則意味著 vR 必須比 LHC 的能量尺度更高，這可能會使 LRSM 中的其他預測（例如重微中子和額外希格斯玻色子）難以在對撞機實驗中被檢測到。
精細調節問題：  LRSM 中的希格斯粒子的質量會受到來自重規範玻色子的量子修正。如果 vR 非常高，則需要對模型參數進行精細調節才能使希格斯粒子的質量保持在電弱尺度。
其他 LRSM 變體：  沒有發現重規範玻色子可能會促使人們考慮 LRSM 的其他變體，例如具有不同規範群或希格斯 sector 的模型。
然而，即使沒有直接發現重規範玻色子，LRSM 仍然可以通過其他實驗觀測得到間接的限制或支持，例如：

微中子質量和混合： LRSM 中的 seesaw 機制可以自然地解釋微中子質量，並預測重微中子的存在。
輕子味破壞過程： LRSM 預測了新的輕子味破壞過程，例如 µ → eγ 和 µ → 3e，這些過程可能會在未來實驗中被觀測到。
宇宙學觀測： LRSM 中的重微中子可以作為暗物質的候選者，並且可能會在宇宙微波背景輻射或星系團的觀測中留下印記。
總之，雖然沒有發現重規範玻色子會對 LRSM 造成挑戰，但它並不會完全排除這種模型。其他實驗和觀測結果對於檢驗 LRSM 和探索超越標準模型的新物理仍然至關重要。

左右對稱模型的哪些方面可以提供對早期宇宙的洞察力，例如重子生成或暗物質的性質？

LRSM 提供了一些有趣的機制，可以解釋早期宇宙中的一些現象，例如重子生成和暗物質的性質：

重子生成:  LRSM 自然地包含了重子數破壞的交互作用，這是 Sakharov  重子生成條件之一。此外，LRSM 中的 seesaw 機制引入了重微中子，它們的 CP 破壞衰變可以通過輕子生成過程產生重子不對稱性，這被稱為輕子生成重子生成機制 (leptogenesis)。
暗物質:  LRSM 中的右手微中子可以作為暗物質的候選者。如果它們的質量在 keV 到 GeV 尺度，它們可以構成溫暗物質 (warm dark matter)，並對宇宙的大尺度結構產生影響。此外，LRSM 中的其他粒子，例如最輕的中性希格斯玻色子，也可以作為暗物質的候選者。
以下是一些更詳細的例子：

高溫輕子生成:  在早期宇宙的高溫環境中，重右手微中子可以通過它們的 Yukawa 耦合與希格斯玻色子發生交互作用而產生。如果這些交互作用違反 CP 對稱性，則重微中子的衰變可以產生輕子不對稱性，進而通過 sphaleron 過程轉化為重子不對稱性。
keV 尺度的右手微中子暗物質:  如果右手微中子的質量在 keV 尺度，它們可以作為溫暗物質的候選者。它們的衰變可以產生 X 射線光子，這可能會在星系團的觀測中被探測到。
非熱產生暗物質:  LRSM 中的額外希格斯玻色子可以通過非熱產生機制產生暗物質，例如在早期宇宙的相變過程中。
總之，LRSM 為探索早期宇宙的物理提供了豐富的可能性，並可能為重子生成和暗物質的性質提供新的見解。未來的實驗和觀測結果將有助於檢驗這些想法，並加深我們對宇宙起源和演化的理解。