[論文レビュー] A Reexamination of Proton Decay in Supersymmetric Grand Unified Theories

K. S. Babu, Matthew J. Strassler|ArXiv.org|Aug 27, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、電荷を帯びたヒッグスノとゲージノの交換によって誘導される次元5のオペレーターに注目して、超対称性の統一理論（SUSY GUTs）における陽子崩壊を再分析している。大規模な tanβ の場合、崩壊モード p → K⁺ν̄_τ が支配的となり、tan⁴β に比例して増幅する。これにより、正確な予測が可能になる。一方、電子からミューオンへの分岐比はモデルによって顕著に異なる。最小限の GUT ではミューオンが抑制され、非最小モデルでは1次オーダーの比が許容される。

ABSTRACT

We reconsider dimension-five proton decay operators, making semi-quantitative remarks which apply to a large class of supersymmetric GUTs in which the short-distance operators are correlated with the fermion Yukawa couplings. In these GUTs, which include minimal SU(5), the operators $(u^cd_i^c)^\dagger(d_jν_τ)$, induced by charged Higgsino dressing, completely dominate for moderate to large $ anbeta$. The rate for $p arr (K^+,π^+) \barν_τ$ grows rapidly, as $ anbeta^4$, and the K^+ to π^+ branching ratio can often be precisely predicted. At small $ anbeta$ the operators $(u d_i)(d_j ν)$ are dominant, while the operators $(u d_i)(u \ell^-)$, with left-handed charged leptons, are comparable to the neutrino operators in the generic GUT and suppressed in minimal GUTs. Charged-lepton branching fractions are always small at large $ anbeta$. The electron to muon ratio is small in minimal GUTs but can be larger, even of order one, in other models. All other operators are very small. At small $ anbeta$ in non-minimal GUTs, gluino and neutralino dressing effects on neutrino rates are not negligible.

研究の動機と目的

• 超対称性の統一理論（SUSY GUTs）における支配的陽子崩壊オペレーターを再評価すること、特に tanβ パラメータとの関係を明らかにすること。
• 電荷を帯びたヒッグスノとゲージノ（グルーコア、ニュートラリノ）の交換によって誘導される、さまざまな次元5のオペレーターの相対的重要性を明確にすること。
• フェルミオンのヤコビ係数と GUT 構造が陽子崩壊の分岐比と崩壊レートに与える影響を特定すること。
• 短距離ダイナミクスが陽子崩壊に与える影響を評価すること、特に非最小 GUT と最小 SU(5) の比較において。
• 特にチャージドレプトンおよびカリオンを含む最終状態における分岐比の定量的予測を提供すること。

提案手法

• 短距離ダイナミクスがフェルミオンのヤコビ係数と相関するようなクラスの SUSY GUTs における次元5の陽子崩壊オペレーターを分析する。
• 有効場理論の技術を用いて、電荷を帯びたヒッグスノのドレッシングによるオペレーター（例：(u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ)）の寄与を計算する。
• グルーコアおよびニュートラリノの交換が、小規模な tanβ におけるニュートリノ最終状態レートに与える影響を評価する。
• 最小および非最小 GUT における左巻きチャージドレプトン最終状態（u d_i)(u σ^-) とニュートリノ最終状態（u d_i)(d_j ν) のオペレーターの相対的サイズを比較する。
• 半定量的見積もりを用いて、例として K⁺ν̄_τ 崩壊における tan⁴β 依存性のようなスケーリング則を導出する。
• GUT ヒッグス系の構造と R-パリティ保存を用いて、オペレーターの支配的性を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷を帯びたヒッグスノの交換は、大規模な tanβ を持つ SUSY GUTs における支配的陽子崩壊モードにどのように影響するか？
• RQ2 非最小的 SUSY GUTs において、なぜ p → K⁺ν̄_τ の分岐比が tan⁴β に比例するのか？
• RQ3 陽子崩壊におけるチャージドレプトン最終状態とニュートリノ最終状態の相対的サイズは、何によって決定されるか？
• RQ4 非最小的 GUTs における小規模な tanβ において、グルーコアおよびニュートラリノの交換は、ニュートリノ最終状態レートにどのように影響するか？
• RQ5 電子からミューオンへの分岐比のモデル依存性は何か？最小的と非最小的 GUT ではどのように異なるか？

主な発見

• 中程度から大規模な tanβ の場合、電荷を帯びたヒッグスノのドレッシングによって誘導されるオペレーター (u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ) が陽子崩壊を支配し、p → K⁺ν̄_τ 崩壊レートが tan⁴β に比例して増幅する。
• 多くの非最小的 GUTs において、強い tan⁴β 依存性のおかげで、p → K⁺ν̄_τ の分岐比を正確に予測できる。
• 小規模な tanβ では、オペレーター (u d_i)(d_j ν) が支配的であるが、一般の GUT では (u d_i)(u σ^-) と同等の大きさであるが、最小的 GUT では抑制される。
• 大規模な tanβ では常にチャージドレプトン最終状態が抑制され、最小的 GUT では電子対ミューオン分岐比の比が小さいが、非最小的モデルでは1次オーダーの比が許容される可能性がある。
• 非最小的 GUTs において、小規模な tanβ におけるニュートリノ最終状態レートに対するグルーコアおよびニュートラリノのドレッシング効果は、直感的な期待とは異なり、無視できない。
• 検討されたクラスの SUSY GUTs において、他のすべての次元5のオペレーターは無視できると判明した。