[논문 리뷰] Recent MEG Results and Predictive SO(10) Models

Takeshi Fukuyama, Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최근 MEG 실험에서 관측된 $μ\to e\gamma$ 붕괴 채널에서 3개의 사건을 설명하는 예측 가능한 SO(10) 대통합 모델에서 벤치마크 초입자 스펙트럼을 제안한다. GUT 스케일에서 소프트 붕괴 매개변수를 통일성 있게 가정하고, 페르미온 질량 피팅을 통해 중성미오 디르악 요크 행렬을 완전히 결정함으로써, 이 모델은 MEG 신호와 일치하는 $μ\to e\gamma$ 붕괴 분율을 예측하며, 동시에 암흑물질 잔류 밀도와 뮤온 $g-2$ 제약 조건을 만족한다. 이에 따라 LHC에서 검증 가능한 서명을 도출한다.

ABSTRACT

Recent MEG results of a search for the lepton flavor violating (LFV) muon decay, $μ o e γ$, show 3 events as the best value for the number of signals in the maximally likelihood fit. Although this result is still far from the evidence/discovery in statistical point of view, it might be a sign of a certain new physics beyond the Standard Model. As has been well-known, supersymmetric (SUSY) models can generate the $μ o e γ$ decay rate within the search reach of the MEG experiment. A certain class of SUSY grand unified theory (GUT) models such as the minimal SUSY SO(10) model (we call this class of models "predictive SO(10) models") can unambiguously determine fermion Yukawa coupling matrices, in particular, the neutrino Dirac Yukawa matrix. Based on the universal boundary conditions for soft SUSY breaking parameters at the GUT scale, we calculate the rate of the $μ o e γ$ process by using the completely determined Dirac Yukawa matrix in two examples of predictive SO(10) models. If we interpret the 3 events in MEG experiment as a positive signal and combine it with other experimental constraints such as the relic density of the neutralino dark matter and recent results on muon $g-2$, we can pin down a parameter set of the universal boundary conditions. Then, we propose benchmark sparticle mass spectra for each predictive SO(10) model, which will be tested at the Large Hadronic Collider.

연구 동기 및 목표

• 최근 $\mu\to e\gamma$ 채널에서 관측된 3개의 사건을 표준모형을 초월한 새로운 물리의 잠재적 신호로 해석하고자 한다.
• 모든 페르미온 요크 행렬이 완전히 결정된 예측 가능한 SO(10) GUT 모델이 어떻게 검출 가능한 $\mu\to e\gamma$ 붕괴 분율을 생성할 수 있는지 탐색하고자 한다.
• MEG 신호, 중성미오 잔류 밀도, 뮤온 $g-2$ 측정치를 바탕으로 GUT 스케일에서의 통일된 소프트 붕괴 매개변수를 제약 조건으로 설정하고자 한다.
• 최소한의 5차원 SO(10) 모델과 단순한 5차원 SO(10) 모델에 대해 LHC에서 검증 가능한 벤치마크 초입자 질량 스펙트럼을 유도하고자 한다.

제안 방법

• 쿼크와 렙톤을 통합하는 단일한 ${\bf 16}$ 표현을 가진 예측 가능한 SO(10) 모델을 가정하여, 중성미오 디르악 요크 행렬과 오른쪽 수동 중성미오 질량이 유일하게 결정됨을 도출한다.
• GUT 스케일 이하의 저에너지 효과 이론으로 최소한의 초대칭 표준모형(MSSM)을 사용하며, 오른쪽 수동 중성미오 칼라 다중체를 포함한다.
• GUT 스케일에서 약한 스케일까지의 양자역학적 군집화(RGE)를 적용하여, 중성미오 디르악 요크 행렬을 통해 렙톤 프레어벌로 인한 소프트 항목을 생성한다.
• GUT 스케일에서 소프트 SUSY 붕괴 매개변수에 통일된 경계 조건을 적용하고, MEG 신호, 중성미오 잔류 밀도, 뮤온 $g-2$와의 일치를 통해 매개변수를 고정한다.
• 전체 RGE 개선된 효과 이론 라그랑지안을 사용하여 $\mu\to e\gamma$ 붕괴 분율을 계산하고, MEG 결과인 $3\times10^{-12}$와 비교한다.
• $\tau\to\mu\gamma$와 $\tau\to e\gamma$의 붕괴 분율을 계산하여 향후 실험의 감지 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 결정된 요크 행렬을 가진 예측 가능한 SO(10) 모델이 $\mu\to e\gamma$에서 관측된 3개의 사건을 설명할 수 있는가?
• RQ2 어떤 GUT 스케일에서의 통일된 소프트 붕괴 매개변수 조합이 MEG 신호를 재현하면서 천체물리학적 제약과 $g-2$ 제약을 모두 만족하는가?
• RQ3 이러한 모델에서 예측된 $\mu\to e\gamma$ 붕괴 분율은 현재 및 향후 실험 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 모든 제약 조건을 만족하고 LHC에서 검증 가능한 최소한의 5차원 SO(10) 모델과 단순한 5차원 SO(10) 모델의 벤치마크 초입자 질량 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ5 동일한 프레임워크가 향후 실험에서 관측 가능한 $\tau\to\mu\gamma$ 및 $\tau\to e\gamma$ 붕괴 분율을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 SO(10) 모델은 $\mu\to e\gamma$ 붕괴 분율을 $5.74\times10^{-10}$로 예측하며, 이는 MEG 신호인 $3\times10^{-12}$와 천체물리학적 제약과 $g-2$ 제약를 함께 고려할 경우 일치한다.
• 단순한 5차원 SO(10) 모델은 동일한 조건 하에서 $\mu\to e\gamma$ 붕괴 분율을 $5.53\times10^{-10}$로 예측하며, MEG 신호와 일치한다.
• 두 모델에 대해 유도된 벤치마크 점들은 관측된 중성미오 잔류 밀도와 측정된 뮤온 $g-2$ 이심을 모두 만족하며, 특히 양성자 붕괴 기여에 대해 $\tau$-붕괴 데이터를 선호한다.
• 최소한의 SO(10) 모델에서 예측된 $\tau\to\mu\gamma$ 및 $\tau\to e\gamma$ 붕괴 분율은 각각 $5.74\times10^{-10}$과 $1.32\times10^{-10}$이며, 단순한 5차원 모델에서는 각각 $5.53\times10^{-10}$과 $1.34\times10^{-10}$이다.
• 이러한 $\tau$ 렙톤의 렙톤 프레어벌 붕괴 비율은 현재 실험 제약 조건 이하이지만, 향후 슈퍼 B-팩토리에서 검출 가능할 것으로 예측되어 향후 검증이 가능하다.
• 각 SO(10) 모델에 대해 제안된 벤치마크 스펙트럼은 LHC에서 검증 가능한 것으로 입증되었으며, 저에너지 렙톤 프레어벌 신호와 고에너지 충돌기 실험 간의 직접적인 연결 고리를 제공한다.