[論文レビュー] Neutrino Mass and Proton Decay in a Realistic Supersymmetric SO(10) Model

Matthew Severson|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、フェルミオン質量および混合角（θ₁₃を含む）の成功したフィットを達成すると同時に、陽子崩壊の自然な抑制を実現する、制約付きヤコビ・テクスチャを有する現実的な超対称的SO(10)のグランドユニフィケーションモデルを提示する。陽子寿命の制限が微調整を要せず満たされ、タイプ-IIシーイォーの状況ではK⁺ν̄モードに対しては僅かなO(10⁻¹)のキャンセルのみが要求され、最大部分寿命は約10³⁶年である。タイプ-Iシーイォーの状況では、寿命がほぼ10³⁸年まで達する可能性があり、両者とも実験的に到達不可能なスケールである。

ABSTRACT

This work presents a complete analysis of fermion fitting and proton decay in a SUSY $SO(10)$ model previously suggested by Dutta, Mimura, and Mohapatra. A key question in any grand unified theory is whether it satisfies the experimental lower limits on proton partial lifetimes. In generic models, substantial fine-tuning is required among GUT-scale parameters to satisfy the limits. In the proposed model, the ${\bf 10}$, $\overline{\bf{126}}$, and ${\bf 120}$ Yukawa couplings contributing to fermion masses have restricted textures intended to give favorable results for proton lifetime, while still giving rise to a realistic fermion sector, without the need for fine-tuning, even for large $ anβ$, and for either type-I or type-II dominance in the neutrino mass matrix. In this thesis, I investigate the above hypothesis at a strict numerical level of scrutiny; I obtain a valid fit for the entire fermion sector for both types of seesaw dominance, including $θ_{13}$ in good agreement with the most recent data. For the case with type-II seesaw, I find that, using the Yukawa couplings fixed by the successful fermion sector fit, proton partial lifetime limits are readily satisfied for all but one of the pertinent decay modes for nearly arbitrary values of the triplet-Higgs mixing parameters, with the $K^+ \barν$ mode requiring a ${\cal O}(10^{-1})$ cancellation in order to satisfy its limit. I also find a maximum partial lifetime for that mode of $τ(K^+ \barν) \sim 10^{36}\,$years. For the type-I seesaw case, I find that $K^+ \barν$ decay mode is satisfied for any values of the triplet mixing parameters giving no major enhancement, and all other modes are easily satisfied for arbitrary mixing values; I also find a maximum partial lifetime for $K^+ \barν$ of nearly $10^{38}\,$years, which is sub-dominant to gauge boson decay channels.

研究の動機と目的

• 制限付きヤコビ・テクスチャを有する超対称的SO(10)モデルが、フェルミオン質量および混合角を同時に再現できるかどうかを検証すること。
• このモデルにおける陽子崩壊部分寿命が、GUTスケールのパラメータの微調整を要せず、きびしい実験的下限を満たすかどうかを調査すること。
• 同一フレームワーク内でタイプ-Iおよびタイプ-IIシーイォー機構によるニュートリノ質量生成の妥当性を検討すること。
• フェルミオン系のフィットに従って制約された条件下で、特にK⁺ν̄モードの最大可能な陽子部分寿命を特定すること。
• 予測された陽子寿命スケールが、将来の実験（例：Hyper-K）によって検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 10、120、および̄126表現からのヤコビカップリングを用いて、フェルミオン系の全パラメータ（反応角θ₁₃を含む）をフィットするためのカイ二乗の数値的最小化を採用した。
• フェルミオン系の成功したフィットから得たヤコビカップリングを、陽子崩壊計算の入力として固定し、重いトリプレット・ヒッグスの混合パラメータ空間をスキャンした。
• ヒッグシノおよびカラーヒッグシノを介する次元6の有効オペレータを用いて陽子崩壊振幅を計算し、フェルミオン図を付録で明示的に導出した。
• 複数のランダムな初期値を用いた数値スキャンにより、全パラメータ空間を探索し、すべての実験的制約を満たす領域を同定した。
• τ(K⁺ν̄)の分布に対する統計的解析を実施し、上限の推定および大規模な寿命が実現する可能性の評価を行った。
• タイプ-Iおよびタイプ-IIシーイォーの状況を比較し、陽子崩壊抑制メカニズムの差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制約付きヤコビ・テクスチャを有する現実的なSO(10) GUTモデルが、微調整を要せず、フェルミオン質量および混合角（θ₁₃を含む）を同時にフィットできるか？
• RQ2 このモデルは、特にK⁺ν̄崩壊モードに関して、現在の実験的下限を満たすために陽子崩壊を自然に抑制するか？
• RQ3 タイプ-IIシーイォーの状況において、K⁺ν̄モードの最大予測部分寿命は何か？また、実験的制限を満たすために微調整が必要か？
• RQ4 このモデルにおけるタイプ-Iおよびタイプ-IIシーイォー機構の間で、陽子崩壊抑制の差は何か？どちらの状況がより長い寿命を許容するか？
• RQ5 このモデルの予測される陽子寿命は、Hyper-Kなどの将来の実験によって検出可能か、それとも安全にその感度を超えるか？

主な発見

• タイプ-Iおよびタイプ-IIシーイォー支配の両状況において、微調整を要せず、すべてのフェルミオン系パラメータ（θ₁₃を含む）の成功したフィットが達成された。
• タイプ-IIシーイォーの状況では、K⁺ν̄を除くすべての陽子崩壊モードが、ほぼ任意のトリプレット混合パラメータに対して実験的制限を満たし、K⁺ν̄には僅かなO(10⁻¹)のキャンセルのみが必要である。
• K⁺ν̄モードの最大部分寿命は約10³⁶年と推定され、実質的な上限として機能し、最終的に検出可能である。
• タイプ-Iシーイォーの状況では、非増幅型混合パラメータに対してすべての崩壊モードが制限を満たし、K⁺ν̄の寿命はほぼ10³⁸年まで統計的に最大に達する。
• 両状況において、K⁺ν̄モードの寿命はゲージボソン交換チャネルに比べて劣位であり、Hyper-Kや他の近い将来の実験の感度を超えて著しく大きい。
• このモデルのヤコビ・テクスチャのアンサンブルは、微調整を要せず陽子崩壊を効果的に抑制し、一般のGUTモデルに比べて顕著な素粒子物理学的進展を示している。