[論文レビュー] Neutrino Mass and Proton Decay in a ${U(1)}_R$ Symmetric Model

Yusuke Morita, Hiroaki Nakano+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、可視宇宙と隠れ宇宙の両方における超対称性の破れを有するU(1)R対称な超対称模型を提案する。右隣のニュートリノに反転したR荷重の割り当てにより、重力レプトン質量に起因する微小なR破れ真空期待値によってディラックニュートリノ質量が実現される。m_{3/2} ≈ 1–10 eVのとき、O(1)のヤコビ係数を用いて現実的なニュートリノ質量が得られ、陽子崩壊は新しい次元5のオペレーターによって媒介され、そのレートはフラバー対称性によって抑制される。これにより、m_{3/2} > 10 keVであっても陽子安定性や宇宙論的制約に反しない。

ABSTRACT

We study a ${U(1)}_R$ symmetric extenstion of supersymmetric standard model with supersymmetry breaking in the visible as well as hidden sectors. Specifically we study ${U(1)}_R$ breaking effects parametrized by the gravitino mass. A special $R$-charge assignment of right-handed neutrinos allows us to have neutrino Yukawa couplings with the $R$-charged Higgs field, which develops a tiny vacuum expectation value after the inclusion of $U(1)_R$ symmetry breaking. Even with O(1) Yukawa couplings, a suitable size of Dirac neutrino masses can be generated if the gravitino mass is very small, $m_{3/2}=1\hbox{---}10\,\mathrm{eV}$. Our flipped $R$-charge assignment also allows a new type of dimension five operator that can induce the proton decay. It turns out that the proton stability mildly constrains the allowed range of the gravitino mass: Gravitino heavier than $10 \ \mathrm{keV}$ can evade the proton decay constraint as well as cosmological ones. In this case, the largest neutrino Yukawa coupling is comparable to the electron Yukawa. We also calculate the mass of the pseudo goldsino and its mixing to neutralinos, and briefly discuss its implications in cosmology and Higgs phenomenology.

研究の動機と目的

• 可視宇宙と隠れ宇宙の両方における超対称性の破れを有するU(1)R対称なMSSMの拡張を構築すること。
• R荷重を持つヒッグス場の微小なR破れ真空期待値によって、小さなディラックニュートリノ質量を説明すること。
• この模型における陽子崩壊を調査し、特に反転したR荷重割り当てに起因する新しい次元5のオペレーターの役割を明らかにすること。
• 陽子安定性と宇宙論的制約を用いて、重力レプトン質量m_{3/2}を制約すること。
• 擬似ゴールドスティノ状態の物性論的性質と、その中性ノイドとの中間状態の影響を分析すること。

提案手法

• 右隣のニュートリノのR荷重を反転させることで、R荷重を持つヒッグス場とのニュートリノヤコビ係数を可能にするU(1)R対称性を導入する。
• 重力レプトン質量m_{3/2}によってU(1)R対称性を破り、Rパートナーヒッグス場の微小な真空期待値を生成する。
• Froggatt-Nielsen (FN) フラバー対称性を導入し、FN荷重の抑制によって次元5の陽子崩壊オペレーターを抑制する。
• 関係式 y_ν^{ij} = f_ν^{ij} ε^{n^c_i + l_j + x_u} を用いて、ニュートリノヤコビ係数をm_{3/2}とR破れスケールに関連付ける。
• 陽子寿命 τ_p ∝ ε^{-2Q} (m_{3/2}/1 eV)^4 を導出し、QはFN荷重の抑制を符号化する。
• U(1)R対称性の破れに起因する擬似ゴールドスティノ状態ζの質量と混合を分析し、ヒッグス物性論的および宇宙論的影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視宇宙と隠れ宇宙の両方における超対称性の破れを有するU(1)R対称なSUSY模型において、小さなディラックニュートリノ質量はどのように生成されるか？
• RQ2 右隣のニュートリノに反転したR荷重の割り当てが、ニュートリノ質量と陽子崩壊に果たす役割は何か？
• RQ3 Froggatt-Nielsen対称性が、この模型における次元5の陽子崩壊オペレーターをどのように抑制するか？
• RQ4 陽子安定性は、この設定における重力レプトン質量m_{3/2}にどのような制約を課えるか？
• RQ5 擬似ゴールドスティノ状態の物性論的影響は、ヒッグス物理学および宇宙論にどのような意味を持つか？

主な発見

• 重力レプトン質量が1–10 eVの範囲にある場合、O(1)のヤコビ係数を用いて、0.1 eV程度のディラックニュートリノ質量を生成可能である。
• 陽子寿命は τ_p ≈ 3.7×10^34 年 × (ε^{-2Q}) × (m_{3/2}/1 eV)^4 × (cos²β/0.1)^3 と推定され、QはFN荷重の抑制を符号化する。
• m_{3/2} > 10 keVのとき、陽子崩壊は長寿命に保たれ、宇宙論的制約を回避する。
• Q ≥ 0のとき、m_{3/2} = 1–10 eVであっても陽子安定性に反しない。Qが中程度の値であれば、τ_p > 10^34 年となる。
• 擬似ゴールドスティノ質量はU(1)R対称性の破れから導かれる。その中性ノイドとの混合は、ヒッグス崩壊モードおよび宇宙論的進化に影響を及ぼす可能性がある。
• U(1)R対称性によりLLLL型のオペレーターを禁止することで、従来のFNモデルにおけるμ項の微調整問題を回避でき、ヒッグス場に負のFN荷重を割り当てても矛盾が生じない。