[논문 리뷰] $d=5$ operators in SUSY GUT: fermion masses versus proton decay

Zurab Berezhiani, Zurab Tavartkiladze외 1명|ArXiv.org|1998. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 최소 SU(5) 초대칭 GUT에서 양성자 붕괴와 페르미온 질량 생성 간의 갈등을 다루며, 차원-5 연산자에 의해 예측되는 양성자 수명은 약 10^28년으로 실험적 한계인 >10^32년보다 훨씬 짧다. 저자들은 힉스 섹터를 수정하고 특정한 페르미온 구조를 도입함으로써, 관측된 쿼크 및 렙톤 질량 계층과 CKM 혼합 각도를 그대로 유지하면서도 양성자 붕괴를 억제할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In the minimal SU(5) SUSY GUT $d =5$ operators lead to $p o K^+ ν$ decay with the proton life time of the order of $10^{28}$ years for the natural choice of the parameters of the theory. This value is in strong contradiction with experimental bound $τ_{p o Kν} > 10^{32}$ years. $d=5$ operators are induced by colored Higgsino exchanges and are closely (through SU(5) and super symmetry) related to another wrong prediction of SU(5) SUSY GUT: $m_d /m_s = m_e /m_μ$. We demonstrate how in the model where reasonable pattern of quark and lepton masses and CKM mixing angles are obtained proton decay can be suppressed and proton life time can be close to the present experimental bound.

연구 동기 및 목표

• 최소 SU(5) 초대칭 GUT에서 양성자 붕괴 예측과 실험적 한계 사이의 갈등을 해결한다.
• 양성자 붕괴 과예측의 근본 원인을 규명한다: 색깔이 있는 힉스 페르미온의 교환에 기인한 d=5 연산자.
• 최소 SU(5) 초대칭 GUT에서 잘못된 질량 비율 예측 m_d/m_s = m_e/m_μ 와 관련된 문제를 해결한다.
• 실제로 관측된 페르미온 질량과 CKM 혼합 각도를 동시에 재현하는 모델을 구축한다.
• 맛 제약 조건을 위반하지 않으면서도 현재 실험적 하한선(~10^32년)에 가까운 양성자 수명을 달성한다.

제안 방법

• SU(5) 초대칭 GUT에서 색깔이 있는 힉스 페르미온의 교환에 의해 유도된 d=5 연산자를 분석한다.
• 양성자 붕괴와 잘못된 질량 비율 m_d/m_s = m_e/m_μ 간의 연관성을 최소 모델에서 공통된 기원으로 규명한다.
• 맛에 의존하는 결합을 가진 수정된 힉스 섹터를 도입하여 양성자 붕괴 확률를 억제한다.
• 관측된 쿼크 및 렙톤 질량 계층과 CKM 혼합 각도를 재현할 수 있는 맛 구조를 구현한다.
• SU(5) 대칭성과 R-대칭 보존을 이용해 허용되는 연산자와 그 기여도를 제약한다.
• 수정된 모델 하에서 양성자 붕괴 분해비율과 수명을 계산하고 실험적 한계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 최소 SU(5) 초대칭 GUT는 실험적 한계인 >10^32년보다 훨씬 짧은 약 10^28년의 양성자 수명을 예측하는가?
• RQ2 초대칭 GUT에서 d=5 연산자는 잘못된 질량 비율 m_d/m_s = m_e/m_μ 와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 관측된 페르미온 질량 패턴과 CKM 혼합 각도를 그대로 유지하면서도 양성자 붕괴를 억제할 수 있는가?
• RQ4 d=5 연산자를 억제하면서도 질량 계층을 유지하기 위해 힉스 섹터에 필요한 맛 구조는 무엇인가?
• RQ5 실제 페르미온 질량을 갖춘 일관된 SU(5) 초대칭 GUT에서 도달할 수 있는 최대 양성자 수명은 얼마인가?

주요 결과

• 최소 SU(5) 초대칭 GUT는 d=5 연산자를 통해 약 10^28년의 양성자 붕괴 수명을 예측하며, 이는 실험적 하한선인 >10^32년과 강하게 모순된다.
• d=5 연산자는 색깔이 있는 힉스 페르미온의 교환에 기인하며, 잘못된 질량 비율 m_d/m_s = m_e/m_μ 와 본질적으로 관련되어 있다.
• 맛에 구조가 있는 힉스 섹터를 도입함으로써, 양성자 붕괴는 현재 실험적 한계에 가까운 수명으로 억제될 수 있다.
• 이 모델은 관측된 쿼크 및 렙톤 질량 계층과 CKM 혼합 각도를 성공적으로 재현한다.
• 수정된 모델에서의 양성자 수명은 10^32년에 가까워질 수 있으며, 이는 실험적 한계와 일치하게 된다.
• 이 해결책은 d=5 연산자를 억제하면서도 정확한 페르미온 질량 스펙트럼을 유지하기 위해 힉스 결합을 정교하게 조정해야 한다는 것을 요구한다.