[論文レビュー] Testing Realistic $SO(10)$ SUSY GUTs with Proton Decay and Gravitational Waves

Bowen Fu, Stephen F. King+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、2つの中間対称性の破れ（$B-L$および電弱）を伴う超対称的 $SO(10)$ 大統一理論を提案する。$B-L$ の破れがGUTスケール付近で起こることで、不安定な宇宙的ストリングが生成され、その崩壊がパulsarタイミングアレイで検出可能な重力波背景を生じる。このモデルは、陽子崩壊（$p \to K\bar{\nu}$）の説明、タイプ-Iの見せかけによるニュートリノ質量の生成、バリオン非対称性、および妥当なダークマター候補を同時に説明でき、NANOGrav 15年分のデータと、将来のHyper-KおよびJUNOの制約と整合する。

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of a supersymmetric $SO(10)$ Grand Unified Theory, which is broken to the Standard Model via the breaking of two intermediate symmetries. The spontaneous breaking of the first intermediate symmetry, $B-L$, leads to the generation of cosmic strings and right-handed neutrino masses and further to an observable cosmological background of gravitational waves and generation of light neutrino masses via type-I seesaw mechanism. Supersymmetry breaking manifests as sparticle masses below the $B-L$ breaking but far above the electroweak scale due to proton decay limits. This naturally pushes the $B-L$ breaking scale close to the GUT scale, leading to the formation of metastable cosmic strings, which can provide a gravitational wave spectrum consistent with the recent Pulsar Timing Arrays observation. We perform a detailed analysis of this model using two-loop renormalisation group equations, including threshold corrections, to determine the symmetry-breaking scale consistent with the recent Pulsar Timing Arrays signals such as NANOGrav 15-year data and testable by the next-generation limits on proton decay from Hyper-K and JUNO. Simultaneously, we find the regions of the model parameter space that can predict the measured quark and lepton masses and mixing, baryon asymmetry of our Universe, a viable dark matter candidate and can be tested by a combination of neutrinoless double beta decay searches and limits on the sum of neutrinos masses.

研究の動機と目的

• ゲージ、フェルミオン、ニュートリノ質量のセクターを統一する現実的な超対称的 $SO(10)$ 大統一理論をテストすること。
• GUTスケール付近での $B-L$ の破れによって生成される不安定な宇宙的ストリングが、NANOGrav 15年分のパルサータイミングアレイ信号を説明できるかどうかを特定すること。
• 2ループの整合性のないレノルム群方程式にしきい値補正を加え、クォークおよびレプトンの質量と混合角を一致させることで、モデルを制約すること。
• バリオン非対称性、ダークマター、検証可能な陽子崩壊モードを予測するモデルの妥当性を評価すること。
• 将来の実験（Hyper-K、JUNO、および将来の重力波検出器）との整合性を評価すること。

提案手法

• 2ループの整合性のないレノルム群方程式にしきい値補正を加え、超対称的 $SO(10)$ GUTにおける対称性の破れスケールを決定する。
• $B-L$ の破れをGUTスケール付近にモデル化し、不安定な宇宙的ストリングを生成させ、その崩壊が確率的重力波背景を生じることを示す。
• ナムブ・ゴートのストリング近似を用いて重力波エネルギー密度スペクトルを計算し、モノポール-反モノポール対の生成を考慮して低周波成分を抑制する。
• 次元5のオペレーターを通じて陽子崩壊断面積を計算し、特に $p \to K\bar{\nu}$ チャネルに注目する。このチャネルはゲージノ質量とSUSY破れスケールに強く依存する。
• ニュートリノ振動パラメータ、0ニュートリノ二重ベータ崩壊、ニュートリノ質量の和の制約を統合し、モデルの妥当性をテストする。
• ゲージ結合の統一を仮定し、$B-L$ の破れスケールをSUSY破れスケールに関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超対称的 $SO(10)$ GUTにおいて、$B-L$ の破れがGUTスケール付近で起こる場合、NANOGrav 15年分のパルサータイミングアレイ信号と整合する重力波背景を生成できるか？
• RQ2 不安定な宇宙的ストリングが、広帯域の周波数スペクトルを持つ検出可能な確率的重力波背景をどのように生成するか？
• RQ3 2ループの整合性のないレノルム群方程式にしきい値補正を加えることで、このモデルにおける $B-L$ の破れスケールとSUSY破れスケールはどのように制約されるか？
• RQ4 このモデルは、観測されたクォークおよびレプトンの質量、混合角、バリオン非対称性、そして妥当なダークマター候補を同時に再現できるか？
• RQ5 将来的な陽子崩壊探索（例：Hyper-K、JUNO）および0ニュートリノ二重ベータ崩壊実験によって、このモデルはどの程度まで検証可能か？

主な発見

• $B-L$ の破れスケールは、陽子崩壊の制約により自然にGUTスケールに近づくため、NANOGrav 15年分の信号と整合する不安定な宇宙的ストリングが得られる。
• モデルは広帯域の周波数範囲を持つ重力波スペクトルを予測し、パルサータイミングアレイおよび将来の高周波数検出器（例：エイントシュタイン望遠鏡）で検出可能である。
• 陽子崩壊断面積 $p \to K\bar{\nu}$ は、ゲージノ質量とSUSY破れスケールの比に強く依存するため、Hyper-KおよびJUNOによる主要な探査手段となる。
• 右手系ニュートリノを伴う見せかけのメカニズムにより、観測されたクォークおよびレプトンの質量と混合角を成功裏に再現する。
• 妥当なダークマター候補を予測し、0ニュートリノ二重ベータ崩壊およびニュートリノ質量の和の制約とも整合する。
• 宇宙的ストリングの崩壊から発生するモノポール-反モノポール対の生成を組み込むことで、低周波数の重力波スペクトルに自然なカットオフが生じ、安定なNambu-GotoストリングよりもPTAデータとよく一致する。