[論文レビュー] Low Intermediate Scales for Leptogenesis in SUSY SO(10) GUTs

Swarup Kumar Majee, M. K. Parida+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2007

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ひとこと要約

本稿は、二重項ヒッグススカラーまたは三重項ヒッグス場を介した左右対称性の破れの2つのメカニズムを検討することで、最小限の超対称的SO(10) GUTにおける低中間スケールの重粒子生成を検討する。閾値補正、非改帰的演算子、または追加の軽いヒッグス多重項を用いることで、ゲージ結合定数の統一性が大幅に低い$M_R$スケール（二重項モデルではテヴ領域まで）で維持可能であることが示され、これにより実現可能な重粒子生成とLHCでの検証可能性が可能となる。

ABSTRACT

A low intermediate scale within minimal supersymmetric SO(10) GUTs is a desirable feature to accommodate leptogenesis. We explore this possibility in models where the intermediate gauge symmetry breaks spontaneously by (a) doublet Higgs scalars and also (b) by triplets. In both scenarios gauge coupling unification requires the scale of left-right symmetry breaking ($M_R$) to be close to the unification scale. This will entail unnaturally small neutrino Yukawa couplings to avoid the gravitino problem and allow successful leptogenesis. We point out that any one of three options -- threshold corrections due to the mass spectrum near the unification scale, gravity induced non-renormalizable terms near the Planck scale, or presence of additional light Higgs multiplets -- can permit unification along with much lower values of $M_R$ as required for leptogenesis. In the triplet model, independent of these corrections, we find a lower bound on the intermediate scale, $M_R > 10^9$ GeV, arising from the requirement that the theory remains perturbative at least upto the GUT scale. We show that in the doublet model $M_R$ can even be in the TeV region which, apart from resonant leptogenesis can be tested at LHC and ILC.

研究の動機と目的

• 最小限の超対称的SO(10) GUTにおいて、ゲージ結合定数の統一性を損なわずに低中間スケールの重粒子生成を達成する課題に対処すること。
• 重粒子生成に必要な低$M_R$と、従来のモデルで統一性を保つために$M_R \sim M_{\text{GUT}}$である必要があるという矛盾を解消すること。
• $M_R$を著しく低下させつつ、摂動的統一性を維持し、グレイビトロ問題を回避するための実現可能なメカニズムを同定すること。
• 二重項および三重項ヒッグス場による破れの両方のシナリオにおいて、低スケール$M_R$の実験的妥当性を評価すること。
• 特に二重項モデルにおいて、このような低$M_R$スケールがLHCまたはILCで検出可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 二重項ヒッグススカラーによる左右対称性の自発的破れを伴う最小限のSUSY SO(10) GUTを分析する。
• 三重項ヒッグス場による代替的破れを検討し、$M_R$にかかる制約を検証する。
• GUTスケールに近い粒子スペクトルからの閾値補正を適用し、$M_R \sim M_{\text{GUT}}$である必要を緩和する。
• プランクスケール付近の重力誘発非改帰的演算子を導入し、統一条件を変更する。
• ゲージ結合定数の走査を変化させ、より低い$M_R$を可能にする追加の軽いヒッグス多重項を導入する。
• 摂動性解析を実施し、GUTスケールまで安定であることを保証するための三重項モデルにおける$M_R$の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限のSUSY SO(10) GUTにおいて、ゲージ結合定数の統一性を損なわずに低中間スケールの重粒子生成を実現可能か？
• RQ2 どのようなメカニズムが$M_R$をGUTスケールより著しく低下させつつも、統一性を維持できるか？
• RQ3 閾値補正、非改帰的演算子、または追加のヒッグス多重項は、低$M_R$の妥当性にどのように影響するか？
• RQ4 三重項ヒッグス場による破れモデルにおいて、摂動性をGUTスケールまで保つ限りで許容される$M_R$の最小スケールは何か？
• RQ5 特に二重項ヒッグスモデルにおいて、$M_R$はLHCまたはILCで探査可能ほど低くできるか？

主な発見

• 二重項ヒッグスモデルでは、$M_R$をテヴスケールまで低下させることができ、LHCおよびILCでの直接的な実験的検証が可能となる。
• 三重項ヒッグスモデルでは、GUTスケールまで摂動性を保つために$M_R > 10^9$ GeVの下限が導かれる。
• 統一スケールに近い粒子からの閾値補正により、ゲージ結合定数の統一性を保ちつつ$M_R$を低下させることができる。
• プランクスケール付近の重力誘発非改帰的項は、$M_R$の要件を緩和する代替的メカニズムを提供する。
• 追加の軽いヒッグス多重項の存在は、統一性を損なわず低$M_R$を実現する別の有効な道筋を提供する。
• 上記3つのメカニズム（閾値補正、非改帰的演算子、追加のヒッグス場）は同時に統一性を保ちつつ低$M_R$を可能にし、グレイビトロ問題を回避できる。