Fermion mass hierarchy and flavour violation in the Froggatt-Nielsen and 331-models

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1284-2
Title: Fermion mass hierarchy and flavour violation in the Froggatt-Nielsen and 331-models
Author: Koivunen, Niko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Helsinki Institute of Physics and Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-11-15
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1284-2
http://hdl.handle.net/10138/306334
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The Standard Model of particle physics (SM) has been enormously successful in explaining the experimental signals coming from the particle physics experiments. However, it leaves behind some puzzling questions. One of these questions is the flavour problem. The SM describes three generations of fermions. The everyday world is made of the fermions of the first generation: electron, electron neutrino, up-type quark and the down-type quark. The fermions of the second generation are muon, muon neutrino, charm-quark and strange-quark. The third generation consists of tau lepton, tau neutrino, top quark and the bottom quark. Mathematically each generation is treated identically, so one would expect similar masses for each generation. This is, however, not the case. The first generation is the lightest and the third is the heaviest. For example the top-quark is five orders of magnitude heavier than the up-quark. The SM offers no explanation for this huge span in the fermion masses. This is called the fermion mass hierarchy problem. The fact that the fermions in the SM come in three generations is supported by the experiments. The existence of the fourth generation seems to be excluded. The SM places each generation into identical representation and one could in principle have any number of fermion generations, and still have internally consistent model. Therefore the SM does not answer to the question: why are there exactly three fermion generations in nature? This is called the fermion family number problem. The fermion mass hierarchy problem and the fermion family number problem are together known as the flavour problem. This thesis concentrates on the possible solutions to the flavour problem. The Froggatt-Nielsen mechanism is one of the most popular methods of generating the fermion mass hierarchy. The Froggatt-Nielsen mechanism introduces a new complex scalar field called the flavon and a new global flavour symmetry that forbids the SM Yukawa couplings. When the flavon acquires a non-zero VEV the Yukawa couplings are generated as effective couplings. The hierarchy of the Yukawa couplings and therefore the fermion masses is determined by the charge assignment under this flavour symmetry. The flavon will inevitably have flavour violating couplings and it can mediate processes that are not yet experimentally seen. In the traditional 331-models the gauge anomalies only cancel if the number of fermion families is three. The 331-models thus explain the number of fermion generations in nature. The cancellation of gauge anomalies requires that one of the quark generations must be placed into a different representation than the other two. This inevitably leads to the scalar mediated flavour changing neutral currents at tree-level for quarks which are heavily constrained experimentally. This is a problem for the traditional 331-models as they offer no natural suppression mechanism. Finally the thesis deals with the FN331-model which economically incorporates the Froggatt-Nielsen mechanism into the 331-setting. Thus the FN331-model is capable of explaining both the fermion mass hierarchy problem and the fermion family number problem simultaneously, thus solving the flavour problem.Hiukkasfysiikan standardimalli on ollut suunnattoman menestyksekäs selittämään hiukkasfysiikan kokeista tulevia kokeellisia signaaleja. Standardimalli kuitenkin jättää jälkeensä joitain avoimia kysymyksiä. Yksi näistä kysymyksistä on maku-ongelma. Standardimalli kuvaa kolmea fermioni-sukupolvea. Arkinen maailmamme koostuu ensimmäisen sukupolven fermioneista: elektroneista, elektronin neutriinoista, up-kvarkeista ja down-kvarkeista. Toisen sukupolven fermioneja ovat myoni, myonin neutriino, charm-kvarkki ja strange-kvarkki. Kolmannen sukupolven muodostavat tau, taun neutriino, top-kvarkki ja bottom-kvarkki. Matemaattisesti kaikkia sukupolvia käsitellään standardimallissa samalla tavalla. Siksi voisi olettaa, että kaikkien sukupolvien massat olisivat samaa suuruusluokkaa. Näin ei kuitenkaan ole. Ensimmäinen sukupolvi on kevyin ja kolmas painavin. Esimerkiksi top-kvarkki on viisi kertaluokkaa painavampi kuin up-kvarkki. Standardimalli ei tarjoa mitään selitystä näille suurille fermionien massojen eroille. Tätä kutsutaan fermionien massahierarkiaongelmaksi. Standardimallin fermionit tulevat kolmessa sukupolvessa, mikä vastaa kokeisiin. Neljäs sukupolvi näyttää olevan suljettu pois. Standardimalli asettaa sukupolvet samaan esitykseen ja sukupolvia voisi periaatteessa olla rajaton määrä sisäisesti konsistentissa mallissa. Standardimalli ei vastaa kysymykseen: miksi luonnossa on juuri kolme fermioni-sukupolvea? Tämä on ongelma fermionien sukupolvien määrässä. Tämä ja fermionien massahierarkiaongelma ovat yhdessä niin sanottu maku-ongelma. Tämä väitöskirja käsittelee mahdollisia ratkaisuja maku-ongelmaan. Froggatt-Nielsen mekanismi on yksi tunnetuimmista tavoista generoida fermionien massahierarkia. Froggatt-Nielsen mekanismi tarvitsee toimiakseen uuden hiukkasen, flavonin. Mekanismiin sisältyy myös uusi symmetria, joka kieltää fermioneja saamasta massaa tavanomaisella tavalla. Froggatt-Nielsen mekanismissa fermionit saavat massansa vuorovaikuttamalla flavonin kanssa. Fermionien vuorovaikutus flavonin kanssa on sellainen, että fermionien massahierarkia syntyy luonnollisella tavalla. Tärkeä fermioneja kuvaava käsite on maku. Saman sukupolven fermioneilla sanotaan olevan sama maku. Tämä mahdollistaa kunkin maun lukumäärän laskemisen kussakin prosessissa: hiukkasilla on yksi yksikkö makua ja antihiukkasilla negatiivinen yksikkö samaa makua. Makua vaihtavat prosessit ovat sellaisia, joissa jonkin maun lukumäärä on eri alku- ja lopputilojen välillä. Flavonilla on fermionien makua vaihtavia vuorovaikutuksia. Niin sanotut 331-mallit ovat standardimallin laajennuksia. Näiden mallien kiintoisa ominaisuus on se, että ne ovat sisäisesti konsistentteja vain, jos sukupolvien määrä on kolme. Näissä malleissa on kuitenkin ongelmana makua vaihtavien neutraalien virtojen esiintyminen. Makua vaihtavat neutraalit virrat ovat prosesseja, jotka ovat hyvin harvinaisia luonnossa. Tämä asettaa tiukkoja rajoituksia 331-malleille. Froggatt-Nielsen mekanismi on mahdollista liittää 331-malleihin lisäämättä uutta hiukkasta joka toimii flavonina. Jo olemassa olevat 331-mallin hiukkaset riittävät Froggatt-Nielsen mekanismin toteuttamiseen. Tätä mallia sanotaan FN331-malliksi. FN331-malli pystyy samanaikaisesti selittämään fermionien massahierarkian ja fermionien sukupolvien määrän, ratkaisten täten maku-ongelman.
Subject: Teoreettinen alkeishiukkasfysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Fermionm.pdf 513.2Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record