[논문 리뷰] On Fermion Masses, Unification, Proton Decay and the UV Cutoff of Adjoint SU(5)

Ilja Doršner, P. Perez|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 최소 스칼라 구성과 양성자기반 페르미온 표현을 가진 SU(5) 대통합이론에서 게이지 커플링 통합, 페르미온 질량, 양성자 붕괴, 및 UV 절단 간의 상호작용을 조사한다. 이론은 플랑크 스케일 절단에서 페르미온 성분의 삼중항 질량이 10^{2.1} GeV 이하로 제한됨을 발견하였으며, 이는 향후 충돌기에서 검증 가능하다. 또한 양성자 붕괴 예측은 현재 실험적 한계와 한 수준 이내에 머물러 있다.

ABSTRACT

We investigate correlation between the gauge coupling unification, fermion mass spectrum, proton decay, perturbativity and ultraviolet cutoff within the SU(5) grand unified theory with minimal scalar content and an extra adjoint representation of fermions. We find strong correlation between the upper bound on the mass of both the bosonic and fermionic SU(2) triplets and the cutoff. The upper bound on the fermionic triplet responsible for the Type III seesaw mechanism is 10^{2.1} GeV for the Planck scale cutoff. Therefore, in this case, both the idea of grand unification and nature of seesaw mechanism could be tested at future collider experiments through the production of those particles. Moreover, the prediction for the proton decay lifetime is at most an order of magnitude away from the present experimental limits. If the cutoff is lowered these predictions change significantly. In the most general scenario, if one does (not) neglect a freedom in the fermionic mixings, the upper bound on the fermionic triplet is at 10^{5.4} GeV (10^{10} GeV).

연구 동기 및 목표

• 최소 스칼라 구성과 양성자기반 페르미온 표현을 가진 SU(5) 대통합이론의 일관성을 탐색하기 위해.
• 이 모델에서 UV 절단, 페르미온 질량 스펙트럼, 그리고 양성자 붕괴율 간의 상관관계를 검토하기 위해.
• 이 틀 안에서 SU(2) 삼중항 상태의 질량 상한을 도출하기 위해.
• 유형 III 봉우리 메커니즘의 실현 가능성과 향후 충돌기 실험에서의 검증 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 최소 힉스 구성과 추가적인 양성자기반 페르미온 표현을 가진 SU(5) 대통합이론 채택하기 위해.
• 게이지 커플링 통합과 페르미온 질량 생성을 추적하기 위해 재규격화군 방정식 적용하기 위해.
• 페르미온 삼중항을 통해 유형 III 봉우리 메커니즘을 통합하여 가벼운 중성자 질량 생성하기 위해.
• 최소 스칼라 구성과 함께 양성자 붕괴 진폭을 계산하고 다양한 UV 절단에서 수명을 평가하기 위해.
• 퍼트리비티 제약 조건을 적용하고 페르미온 혼합 자유도가 삼중항 질량 상한에 미치는 영향 분석하기 위해.
• 플랑크 스케일을 기준 절단으로 삼아 삼중항 질량 상한을 유도하고 실험적 한계와 예측 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV 절단이 플랑크 스케일일 경우, 유형 III 봉우리 메커니즘에서 SU(2) 페르미온 삼중항 질량의 상한은 얼마인가요?
• RQ2 이 SU(5) GUT 모델에서 UV 절단은 예측된 양성자 붕괴 수명에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 페르미온 혼합 매개변수의 자유도에 따라 페르미온 질량과 양성자 붕괴 예측은 어느 정도 민감한가요?
• RQ4 유도된 질량 상한을 바탕으로 향후 충돌기 실험에서 페르미온 삼중항을 생성하고 검출할 수 있나요?
• RQ5 다양한 절단 스케일에서 모델의 양성자 붕괴 예측은 현재 실험적 한계와 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• UV 절단이 플랑크 스케일일 경우, 페르미온 삼중항 질량의 상한은 10^{2.1} GeV이다.
• 동일한 플랑크 스케일 절단 조건에서 모델은 현재 실험적 한계와 한 수준 이내의 양성자 붕괴 수명을 예측한다.
• UV 절단을 낮추면 페르미온 삼중항 질량과 양성자 붕괴율에 대한 예측이 크게 변화한다.
• 페르미온 혼합 자유도를 고려하지 않을 경우, 페르미온 삼중항 질량의 상한은 10^{5.4} GeV로 증가한다.
• 페르미온 혼합에 대한 전체 자유도를 고려할 경우, 상한은 10^{10} GeV로 더욱 증가하여 모델 매개변수에 강한 의존성을 보인다.
• UV 절단과 SU(2) 삼중항 질량 간의 강한 상관관계는 충돌기 실험에서 대통합과 봉우리 메커니즘을 동시에 검증할 수 있음을 시사한다.