[論文レビュー] Proton Decay in the Supersymmetric Grand Unified Models

Junji Hisano|ArXiv.org|Apr 28, 2000

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、最小限の超対称性をもつSU(5)の統一理論（SUSY SU(5) GUT）における陽子崩壊を調査し、特に最小のSUSY SU(5)モデルに注目する。2つのメカニズム—Xゲージボソン交換と色を持つヒッグスの交換—を分析し、後者が色付きヒッグスの質量やR対称性の破れといったパラメータに敏感なモデル依存の陽子寿命をもたらすことを示す。主な結果として、最小のSUSY SU(5) GUTは、色付きヒッグス交換による短い予測寿命のおかげで現在の陽子崩壊探索によって除外されるが、Xボソンの質量が約1.1×10¹⁶ GeVを超える場合、Xボソン媒介の崩壊は依然として妥当である。

ABSTRACT

In this article we review proton decay in the supersymmetric grand unified models.

研究の動機と目的

• 陽子崩壊の制約に基づいて、最小の超対称性をもつSU(5)の統一理論（SUSY SU(5) GUT）の妥当性を評価すること。
• 色付きヒッグス交換が誘導する次元5のオペレーターに起因する陽子崩壊レートのモデル依存性を検討すること。
• Xゲージボソン交換による陽子崩壊レートを評価すること。これは次元6のオペレーターを生成し、モデルの詳細にあまり依存しない。
• ゲージ結合定数の統一と摂動論的性質の制約から、Xボソン質量の下限を特定すること。
• 追加の軽い物質多重項が陽子崩壊レートとゲージ結合定数の統一に与える影響を調査すること。

提案手法

• Higgs二重項と色付きヒッグスを5および5*多重項に埋め込んだ、最小のSUSY SU(5) GUTフレームワークを使用する。
• 色付きヒッグス交換から生じる次元5のバリオン数破れオペレーターを導出し、1/M_H_C²に比例することを示す。
• ゲージ結合定数の整合性を保つために、走馬灯方程式を用いてゲージ結合定数のランダム化を計算する。
• ハドロン的行列要素α_H ≈ -0.015 GeV³（10%の不確実性を伴う）を決定するために、格子QCD計算を用いる。
• α_H、α_5、A_R、およびM_Xに依存する陽子崩壊レートの式を構築し、M_X⁴に明示的な依存性を持つようにする。
• 数値的解析を実施し、M_Xおよびβ関数への追加物質寄与の関数としての陽子寿命を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小のSUSY SU(5) GUTが色付きヒッグス交換によって予測する陽子崩壊レートは何か？ そして、これは現在の実験的制限と整合するか？
• RQ2 Xゲージボソン交換による陽子崩壊レートはXボソンの質量にどのように依存するか？ そして、現在のデータからどのようなM_Xの下限が導かれるか？
• RQ3 追加の軽い物質多重項（例：追加の5+5*または10+10*）は、SUSY GUTにおける陽子崩壊レートとゲージ結合定数の統一にどのように影響するか？
• RQ4 ハドロン的行列要素α_Hは陽子崩壊レートを決定する上で果たす役割は何か？ そして、その格子QCDによる値は予測の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 最小のSUSY SU(5) GUTは陽子崩壊探索によって除外されるのか、それともXボソン媒介の崩壊は依然として妥当な予測として残るのか？

主な発見

• 最小のSUSY SU(5) GUTは、色付きヒッグス交換によって誘導される次元5のオペレーターのおかげで、短い予測寿命（約10³⁵年）のため、現在の陽子崩壊探索によって除外される。
• Xボソン交換による陽子崩壊レートはM_X⁻⁴に比例し、α_H = -0.015 GeV³の仮定のもとでM_X = 10¹⁶ GeVのとき予測寿命は1.0×10³⁵年である。
• Xボソン質量の下限はM_X ≥ 1.1×10¹⁶ GeVであり、これはゲージ結合定数の統一と摂動論的性質の制約から導かれる。
• 質量が100 GeV程度の追加物質多重項を含めると、特にβ関数への寄与が1を超える場合、陽子崩壊レートが増加する。
• 格子QCD計算によるα_Hの値は-0.015 GeV³（約10%の不確実性を伴う）であり、これにより従来の理論的曖昧性が低減され、予測の精度が向上した。
• 色付きヒッグス媒介の崩壊はモデル依存性が強いが、最小モデルは除外される一方で、Xボソン媒介の崩壊は依然として妥当で検証可能なSUSY GUTの予測として残る。