[論文レビュー] Yukawa coupling unification in non-supersymmetric SO(10) models with an intermediate scale

A. Djouadi, Ruiwen Ouyang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、中間対称性の破れスケールを有する非超対称的SO(10)の統一理論を提案し、電弱スケールでタイプII 2HDMに還元される最小の2ヒッグスビダブレット系を用いて、第3世代フェルミオン（トップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトン）のヨウカフカップリングの統一を達成する。主な結果として、ヒッグス真空期待値の比が大きく、tan β ≈ 60であるとき、GUTスケールでヨウカフカップリングの統一が実現され、摂動論的であり、低エネルギーの物性論とも整合することが示された。

ABSTRACT

We discuss the possibility of unifying in a simple and economical manner the Yukawa couplings of third generation fermions in a non-supersymmetric SO(10) model with an intermediate symmetry breaking, focusing on two possible patterns with intermediate Pati-Salam and minimal left-right groups. assume a minimal Yukawa sector at high energy, starting with two Higgs bi-doublets at the intermediate scale which then simply reduce to a two Higgs doublet model at the electroweak scale. We first enforce gauge coupling unification at the two-loop level by including the threshold corrections in the renormalisation group running which are generated by the heavy fields that appear at the intermediate symmetry breaking scale. We then study the running of the Yukawa couplings of the top quark, bottom quark and tau lepton at two-loops in these two breaking schemes, when the appropriate matching conditions are imposed. We find that the unification of the third family Yukawa couplings can be achieved while retaining a viable spectrum, provided that the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublet fields is large, $ an\beta \approx 60$.

研究の動機と目的

• 非超対称的SO(10) GUTに中間スケールの対称性の破れを有する場合、第3世代フェルミオンのヨウカフカップリングの統一が可能かどうかを調査すること。
• 2つのヒッグスビダブレットのみからなる最小のヒッグス系が、ゲージおよびヨウカフカップリングの両方の統一を実現できるかどうかを検討すること。
• 得られたモデルが摂動論的であり、フェルミオン質量や電弱ゲージボソン質量を含む低エネルギーの観測量とも整合するかどうかを評価すること。
• 電弱真空が中間スケールまで安定であることを保証することで、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 理論的枠組みとして、SO(10)の統一理論を採用し、2段階の対称性の破れを想定：SO(10) → パティ＝サラム群または最小左対称群（MI ≈ 10^10 GeV）へ、その後SMへ（MZ）。
• 中間スケールで2つのヒッグスビダブレット場を導入し、電弱スケールではタイプII 2HDMに還元される。
• ゲージおよびヨウカフカップリングの2ループの整合性関係（RGE）を実行し、MIにおける重い場のしきい値補正を含める。
• MIおよびMZにおける一致条件を課し、特に第3世代フェルミオン質量と整合するように整合性を保証する。
• 2ループレベルで実験的データと2%以内の一致を満たすことを条件として、パラメータ空間を制約する。
• tan β = vu/vd の役割を分析し、ヨウカフカップリングの統一を達成しつつ、摂動論的および真空安定性を維持するように調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非超対称的SO(10)モデルに中間スケールを有する場合、トップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトンのヨウカフカップリングを統一できるか？
• RQ2 2つのヒッグスビダブレット場のみを用いて、低エネルギーでタイプII 2HDMに還元される場合、この統一が達成可能か？
• RQ3 ヨウカフカップリングの統一を保ちつつ、カップリングが摂動論的であり、電弱真空が安定であるようにするためのtan βの値は何か？
• RQ4 中間スケールの重い場からのしきい値補正が、この設定におけるゲージカップリングの統一にどのように影響するか？
• RQ5 モデルが観測された第3世代フェルミオン質量および電弱ゲージボソン質量を2%以内の精度で再現できるか？

主な発見

• トップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトンのヨウカフカップリングの統一は、両方の対称性の破れ経路（パティ＝サラムおよび最小左対称群）において、GUTスケールMU ≈ 10^16 GeVで達成される。
• パティ＝サラムモデルではtan β = vu/vd ≈ 58、最小左対称群モデルではtan β ≈ 70が必要であり、これにより正しい質量階層と摂動論的性質が保証される。
• すべてのヨウカフカップリングの二乗がMIで4π未満であるため、モデルはGUTスケールまで摂動論的である。
• 電弱真空は中間スケールMI ≈ 10^10 GeVまで安定であり、重要な安定性基準を満たしている。
• モデルは2ループレベルで観測された第3世代フェルミオン質量および電弱ゲージボソン質量を2%以内の精度で再現する。
• このシナリオは、弱いスケールの質量を持つ追加のヒッグスボソンを予測しており、LHCや将来のコライダーで実際に発見可能である可能性がある。