[논문 리뷰] Low Intermediate Scales for Leptogenesis in SUSY SO(10) GUTs

Swarup Kumar Majee, M. K. Parida외 2명|arXiv (Cornell University)|2007. 01. 15.

Distributed and Parallel Computing Systems인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이중자 힉스 스칼라 또는 삼중자 힉스 필드를 통한 좌우 대칭성의 깨짐을 고려하여 최소 초대칭 SO(10) GUT에서 저중간 스케일 렙토제네시스를 탐구한다. 임계 보정, 비노멀리자빌라이징 연산자, 또는 추가적인 경량 힉스 다중체가 있을 경우, 게이지 통합이 훨씬 낮은 $M_R$ 스케일—이중자 모형에서는 테바르 영역까지—유지될 수 있음을 보여주며, 이는 타당한 렙토제네시스와 LHC에서의 검증 가능성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A low intermediate scale within minimal supersymmetric SO(10) GUTs is a desirable feature to accommodate leptogenesis. We explore this possibility in models where the intermediate gauge symmetry breaks spontaneously by (a) doublet Higgs scalars and also (b) by triplets. In both scenarios gauge coupling unification requires the scale of left-right symmetry breaking ($M_R$) to be close to the unification scale. This will entail unnaturally small neutrino Yukawa couplings to avoid the gravitino problem and allow successful leptogenesis. We point out that any one of three options -- threshold corrections due to the mass spectrum near the unification scale, gravity induced non-renormalizable terms near the Planck scale, or presence of additional light Higgs multiplets -- can permit unification along with much lower values of $M_R$ as required for leptogenesis. In the triplet model, independent of these corrections, we find a lower bound on the intermediate scale, $M_R > 10^9$ GeV, arising from the requirement that the theory remains perturbative at least upto the GUT scale. We show that in the doublet model $M_R$ can even be in the TeV region which, apart from resonant leptogenesis can be tested at LHC and ILC.

연구 동기 및 목표

• 최소 초대칭 SO(10) GUT에서 게이지 커플링 통합을 위반하지 않으면서 저중간 스케일 렙토제네시스를 달성하는 데 도전하는 것.
• 렙토제네시스에 필요한 낮은 $M_R$와 기존 모형에서 통합을 유지하기 위해 $M_R \sim M_{\text{GUT}}$ 가 되어야 하는 갈등을 해결하는 것.
• $M_R$ 를 상당히 낮추면서도 양자역학적 통합을 유지하고 중력편성 문제를 피할 수 있는 타당한 메커니즘을 규명하는 것.
• 이중자 및 삼중자 힉스 깨짐 시나리오에서 저스케일 $M_R$ 의 현상학적 타당성을 평가하는 것.
• 특히 이중자 모형에서 이러한 낮은 $M_R$ 스케일이 LHC 또는 ILC에서 탐지 가능한지 여부를 결정하는 것.

제안 방법

• 이중자 힉스 스칼라를 통한 좌우 대칭성의 자발적 깨짐을 고려하는 최소 초대칭 SO(10) GUT 분석.
• 삼중자 힉스 필드를 통한 대안적 깨짐을 고려하여 $M_R$ 에 대한 제약 조건을 검토.
• GUT 스케일 근처의 입자 스펙트럼에서의 임계 보정을 적용하여 $M_R \sim M_{\text{GUT}}$ 가 되어야 하는 요구 조건을 완화.
• 플랑크 스케일 근처의 중력 유도 비노멀리자빌라이징 연산자를 도입하여 통합 조건을 수정.
• 게이지 커플링의 달라진 달라짐을 가능하게 하여 낮은 $M_R$ 를 허용하기 위해 추가 경량 힉스 다중체를 도입.
• 삼중자 모형에서 $M_R$ 의 하한을 유도하기 위해 양자역학적 안정성 분석을 수행하여 GUT 스케일까지의 안정성을 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 초대칭 SO(10) GUT에서 게이지 커플링 통합을 위반하지 않으면서 저중간 스케일 렙토제네시스를 실현할 수 있는가?
• RQ2 어떤 메커니즘이 $M_R$ 을 GUT 스케일 이하로 상당히 낮추면서도 통합을 유지할 수 있게 하는가?
• RQ3 임계 보정, 비노멀리자빌라이징 연산자, 또는 추가 힉스 다중체는 낮은 $M_R$ 의 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 삼중자 힉스 깨짐 모형에서 GUT 스케일까지의 양자역학적 안정성을 유지하면서 허용되는 최소 $M_R$ 스케일은 얼마인가?
• RQ5 특히 이중자 힉스 모형에서 $M_R$ 이 LHC 또는 ILC에서 탐지 가능한 정도로 낮아질 수 있는가?

주요 결과

• 이중자 힉스 모형에서 $M_R$ 은 테바르 영역까지 낮아질 수 있으며, 이는 LHC 및 ILC에서 직접 실험적 검증이 가능하게 한다.
• 삼중자 힉스 모형에서 GUT 스케일까지의 양자역학적 안정성에서 유도된 하한은 $M_R > 10^9$ GeV 이다.
• 통합 스케일 근처의 입자에서의 임계 보정은 게이지 커플링 통합을 유지하면서도 $M_R$ 을 낮추는 데 기여한다.
• 플랑크 스케일 근처의 중력 유도 비노멀리자빌라이징 항은 $M_R$ 요구 조건을 완화하는 데 대안적 메커니즘을 제공한다.
• 추가 경량 힉스 다중체의 존재는 통합을 위반하지 않으면서도 낮은 $M_R$ 을 가능하게 하는 또 다른 타당한 길을 제공한다.
• 세 가지 메커니즘—임계 보정, 비노멀리자빌라이징 연산자, 추가 힉스 필드—는 동시에 낮은 $M_R$ 과 통합을 허용하며 중력편성 문제를 피할 수 있다.