A possible solution of the flavor problem and radiative neutrino masses [Elektronische Ressource] / put forward by Adisorn Adulpravitchai

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and forMathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byMsc.-Phys. Univ. Adisorn AdulpravitchaiBorn in: Bangkok, Thailand.Oral Examination: 23 June 2010A Possible Solution of the Flavor Problemand Radiative Neutrino MassesReferees:Prof. Dr. Manfred LindnerProf. Dr. Michael G. SchmidtZusammenfassungIn dieser Arbeit behandeln wir zwei wichtige Probleme des Standard Modells der Teilchen-physik: das Familien-Problem sowie den Grund fur die Kleinheit von Neutrinomassen. Daserste Problem k onnte mit der Herkunft nicht-abelscher diskreter Familien-Symmetrien zusam-menh angen. Wir diskutieren die M oglichkeit sie von der spontanen Brechung einer kontinuier-lichen Familien-Symmetrie, d.h. SU(2) oderSU(3) zu erhalten. Weiter untersuchen wir ihrem ogliche Herkunft von einer Orbifold Kompakti zierung. Wir diskutieren alle diskreten Sym-2metrien, die man von einem zwei-dimensionalen Orbifold T =Z erhalten kann. Es sind dieNGruppenA ,S ,D ,D undD . Wir stellen die Idee vor, die Brechung einer Orbifold GUT4 4 4 3 6mit der von dem Orbifold induzierten Familiensymmetrie zu kombinieren und zeigen die Kon-struktion anhand eines sechs-dimensionalen supersymmetrischen SO(10)S orbifold GUT4Modells.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Nombre de pages : 153
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for
Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Msc.-Phys. Univ. Adisorn Adulpravitchai
Born in: Bangkok, Thailand.
Oral Examination: 23 June 2010A Possible Solution of the Flavor Problem
and Radiative Neutrino Masses
Referees:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Prof. Dr. Michael G. SchmidtZusammenfassung
In dieser Arbeit behandeln wir zwei wichtige Probleme des Standard Modells der Teilchen-
physik: das Familien-Problem sowie den Grund fur die Kleinheit von Neutrinomassen. Das
erste Problem k onnte mit der Herkunft nicht-abelscher diskreter Familien-Symmetrien zusam-
menh angen. Wir diskutieren die M oglichkeit sie von der spontanen Brechung einer kontinuier-
lichen Familien-Symmetrie, d.h. SU(2) oderSU(3) zu erhalten. Weiter untersuchen wir ihre
m ogliche Herkunft von einer Orbifold Kompakti zierung. Wir diskutieren alle diskreten Sym-
2metrien, die man von einem zwei-dimensionalen Orbifold T =Z erhalten kann. Es sind dieN
GruppenA ,S ,D ,D undD . Wir stellen die Idee vor, die Brechung einer Orbifold GUT4 4 4 3 6
mit der von dem Orbifold induzierten Familiensymmetrie zu kombinieren und zeigen die Kon-
struktion anhand eines sechs-dimensionalen supersymmetrischen SO(10)S orbifold GUT4
Modells. Zur Erkl arung der zweiten Frage schlagen wir ein Ein-Schleifen Neutrino-Massen
Modell im Rahmen links-rechts symmetrischer Modelle vor. Wir beobachteten, da die Hier-
archie von den geladenen Lepton-Massen zu den recht-h andigen Neutrino-Massen ub ertragen
wird, was wir als "die radiative Ubermittlung der Lepton Familien Hierarchy" bezeichnen.
Schlie lich, haben wir die ph anomenologischen Aspekte des Modells untersucht, wie Lepton
Familien Verletzung, Familien Zahl Verletzung und Familien andernde neutrale Str ome.
Abstract
In this thesis, we discuss two important problems of the Standard Model of Particle Physics
(SM), namely the avor problem and the reason for the smallness of neutrino masses. The
rst one might be related to the origin of non-abelian discrete avor symmetries. We discuss
the possibility of obtaining them from an underlying continuous avor symmetry, i.e. SU(2)
or SU(3) through spontaneous symmetry breaking. Moreover, we investigate their possible
origin from an orbifold compacti cation. We discuss all non-abelian discrete symmetries,
2which can arise from an orbifold T =Z . They are A ;S ;D ;D , and D . We present theN 4 4 4 3 6
idea of combining the breaking of an orbifold GUT and the avor symmetry arising from
the orbifold. We demonstrate the construction in a 6d SUSY SO(10)S . For the second4
problem, we propose a one-loop neutrino mass model in the left-right symmetric framework.
We observe the transmitted hierarchy from the charged lepton masses to the right-handed
neutrino masses, which we call \Radiative Transmission of Lepton Flavor Hierarchy". Finally,
we study the phenomenological aspects of the model such as lepton avor violation (LFV),
avor number violation (FNV), and avor changing neutral currents (FCNCs).
iiiContents
Abstract i
Contents iii
1 Introduction 1
2 Model Building 5
2.1 Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Neutrino Masses and Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Flavor Symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Grand Uni ed Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 Symmetry Breaking from Orbifolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Flavor symmetry models 17
3.1 A SUSY D model for symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1.1 Group Theory of D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1.2 The Model at Leading Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 Next-to-Leading Order Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 A SUSY D model for Golden Ratio prediction . . . . . . . . . . . . . . . . 3110
3.2.1 Golden Ratio Prediction and Dihedral Groups . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 The Model at Leading Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Non-Abelian Discrete Groups from The Breaking of Continuous Flavor
Symmetries 39
4.1 Flavor Symmetry SU(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.1 Breaking with The Two-Dimensional (Doublet) Representation . . . . 40
4.1.2 with The Three-Dimensional (Triplet) . . . . 40
4.1.3 Breaking with The Four-Dimensional (Tetraplet) Representation . . . 41
4.1.4 with The Five-Dimensional (Quintuplet)tation . . 43
4.2 Flavor Symmetry SU(3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 Breaking with The Three-Dimensional (Triplet) Representation . . . . 44
4.2.2 with The Six-Dimensional (Sixtet) Representation . . . . . . 46
4.2.3 Breaking with The Eight-dimensional (Octet)tation . . . . . 48
iii25 Non-Abelian Discrete Flavor Symmetries from T =Z Orbifolds 51N
5.1 Orbifolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2 Symmetries from Orbifolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
25.2.1 T =Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
25.2.2 T =Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
25.2.3 T =Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
25.2.4 T =Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
5.3 Group Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6 Flavored Orbifold GUT 61
6.1 Flavor Symmetry from Orbifolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Symmetry Breaking by Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2.1 Gauge Symmetry Breaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2.2 Flavor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3 Model: SO(10)S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684
7 Confronting Flavor Symmetries with Lepton Flavor Violation 71
7.1 The General Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2 Constraining Particular Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.1 One Possible Example: The Scotogenic Model . . . . . . . . . . . . . 72
7.2.2 The Flavor Symmetries Considered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2.3 Phenomenological Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8 Radiative Transmission of Lepton Flavor Hierarchies 83
8.1 Neutrino Masses and Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.1.1 A Seesaw-like Formula for Neutrino Masses . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.1.2 Reconstructing the Heavy Mass Matrix . . . . . . . . . . . . 86
8.2 Lepton Flavor Violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.2.1 ! 3e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.2.2 !e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.3 Lepton Number Violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.3.1 Neutrino-less Double Beta Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.3.2 -Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.3.3 N-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.3.4 Leptogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.4 Masses for The d Quarks and Their Consequences . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.4.1 Model 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.4.2 Model 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.4.3 Hadronic FCNCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9 Conclusions 105
Acknowledgements 111
ivA Group Theory 113
A.1 Group Theory of Dihedral Groups D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113n
A.2 of D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11310
A.3 Group Theory of A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154
A.4 of S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164
B Mode Expansion 121
C The Higgs Sector 123
C.1 Model 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.2 Model 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.3 The Correspondence to The Ma-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Bibliography 129
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