[논문 리뷰] A Reexamination of Proton Decay in Supersymmetric Grand Unified Theories

K. S. Babu, Matthew J. Strassler|ArXiv.org|1998. 08. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 대통일 이론(SUSY GUTs)에서 양성자 붕괴를 재분석하며, 전하를 가진 힉스지노와 게이지지노 교환에 의해 유도되는 차원 다섯 연산자에 초점을 맞춘다. 큰 tanβ의 경우, 붕괴 모드 p → K⁺ν̄_τ 가 지배적이며 tan⁴β 비례로 증폭되어 정밀한 예측이 가능하다. 반면 전자에서 뮤온으로의 분지비는 모델에 따라 크게 달라지며, 최소 GUT 모델은 뮤온을 억제하고 비최소 모델은 주로 일차 비율을 허용한다.

ABSTRACT

We reconsider dimension-five proton decay operators, making semi-quantitative remarks which apply to a large class of supersymmetric GUTs in which the short-distance operators are correlated with the fermion Yukawa couplings. In these GUTs, which include minimal SU(5), the operators $(u^cd_i^c)^\dagger(d_jν_τ)$, induced by charged Higgsino dressing, completely dominate for moderate to large $ anbeta$. The rate for $p arr (K^+,π^+) \barν_τ$ grows rapidly, as $ anbeta^4$, and the K^+ to π^+ branching ratio can often be precisely predicted. At small $ anbeta$ the operators $(u d_i)(d_j ν)$ are dominant, while the operators $(u d_i)(u \ell^-)$, with left-handed charged leptons, are comparable to the neutrino operators in the generic GUT and suppressed in minimal GUTs. Charged-lepton branching fractions are always small at large $ anbeta$. The electron to muon ratio is small in minimal GUTs but can be larger, even of order one, in other models. All other operators are very small. At small $ anbeta$ in non-minimal GUTs, gluino and neutralino dressing effects on neutrino rates are not negligible.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 대통일 이론(SUSY GUTs)에서 양성자 붕괴의 주요 연산자들을 재평가하며, 특히 tanβ 매개변수와의 관계를 다룬다.
• 전하를 가진 힉스지노와 게이지지노(글루아노, 중성노) 교환에 의해 유도되는 다양한 차원 다섯 연산자의 상대적 중요도를 명확히 한다.
• fermion 요크 부착 계수와 GUT 구조가 양성자 붕괴 분지비와 붕괴율에 어떻게 영향을 미치는지 규명한다.
• 단거리 역학이 양성자 붕괴에 미치는 영향을 평가하며, 특히 비최소 GUT 모델과 최소 SU(5) 간의 차이를 다룬다.
• 특히 렙톤과 케온을 포함한 최종 상태를 포함한 분지비에 대한 정량적 예측을 제공한다.

제안 방법

• 단거리 역학이 페르미온 요크 부착 계수와 관련된 특정 클래스의 SUSY GUT에서 차원 다섯 양성자 붕괴 연산자를 분석한다.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여 전하를 가진 힉스지노의 드레싱 기여를 (u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ)와 같은 연산자에 대해 계산한다.
• 작은 tanβ에서 글루아노와 중성노 교환의 영향을 중성자 최종 상태 비율을 수정하는 데 평가한다.
• 최소 및 비최소 GUT 모델 간에 왼쪽 수반 렙톤을 포함한 연산자 (u d_i)(u σ^-)와 중성자 최종 상태를 포함한 연산자 (u d_i)(d_j ν)의 크기를 비교한다.
• 반정량적 추정을 적용하여 tan⁴β 비례의 척도 법칙과 같은 결과를 도출한다.
• GUT 힉스 섹터의 구조와 R-대칭 보존 원리를 활용하여 연산자 지배의 조건을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 tanβ를 가진 SUSY GUT에서 전하를 가진 힉스지노 교환은 주요 양성자 붕괴 모드에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비최소 SUSY GUT에서 왜 p → K⁺ν̄_τ의 분지비가 tan⁴β 비례로 증폭되는가?
• RQ3 양성자 붕괴에서 렙톤 최종 상태와 중성자 최종 상태의 상대적 크기는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 비최소 GUT에서 작은 tanβ에서 글루아노와 중성노 교환은 중성자 최종 상태 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 양성자 붕괴에서 전자에서 뮤온으로의 분지비는 어떤 모델에 따라 달라지며, 최소와 비최소 GUT 간의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• 중간에서 큰 tanβ의 경우, 전하를 가진 힉스지노의 드레싱에 의해 유도된 연산자 (u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ)가 양성자 붕괴를 지배하며, 이는 p → K⁺ν̄_τ 붕괴율의 tan⁴β 증폭을 초래한다.
• 비최소 GUT의 많은 경우에서 강한 tan⁴β 의존성 덕분에 p → K⁺ν̄_τ의 분지비는 정밀하게 예측 가능하다.
• 작은 tanβ에서는 연산자 (u d_i)(d_j ν)가 지배적이며, 일반적인 GUT에서는 (u d_i)(u σ^-)와 유사한 크기이지만 최소 GUT에서는 억제된다.
• 큰 tanβ에서 렙톤 최종 상태는 항상 억제되며, 최소 GUT에서는 전자에서 뮤온으로의 분지비 비율이 작지만 비최소 모델에서는 주로 일차 비율이 될 수 있다.
• 비최소 GUT에서 작은 tanβ에서 글루아노와 중성노의 드레싱 효과는 중성자 최종 상태 비율에 비노티블한 영향을 미치며, 직관적 기대와는 다르게 나타난다.
• 고려된 SUSY GUT의 특정 클래스에서 다른 모든 차원 다섯 연산자는 무시할 수 있을 정도로 작다.