[논문 리뷰] Testing Realistic $SO(10)$ SUSY GUTs with Proton Decay and Gravitational Waves

Bowen Fu, Stephen F. King외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 87인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 중간 대칭성 깨짐—$B-L$ 및 전자약 대칭성 깨짐—을 가진 초대칭적 $SO(10)$ 대통합 이론을 제안한다. 여기서 $B-L$ 깨짐은 GUT 스케일 근처에서 발생하여 불안정한 우주 끈을 생성하며, 이는 펄사 시계 조합 탐지기로 감지 가능한 중력파 배경을 만든다. 이 이론은 수소 붕괴(특히 $p \to K\bar{\nu}$를 통한), 유령 뉴트리노 질량의 타입-I 시즈모드 메커니즘, 양성자 비대칭성, 그리고 타당한 어두운 물질 후보를 동시에 설명하며, NANOGrav 15년 데이터와 향후 Hyper-K 및 JUNO 실험 제약 조건과도 일치한다.

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of a supersymmetric $SO(10)$ Grand Unified Theory, which is broken to the Standard Model via the breaking of two intermediate symmetries. The spontaneous breaking of the first intermediate symmetry, $B-L$, leads to the generation of cosmic strings and right-handed neutrino masses and further to an observable cosmological background of gravitational waves and generation of light neutrino masses via type-I seesaw mechanism. Supersymmetry breaking manifests as sparticle masses below the $B-L$ breaking but far above the electroweak scale due to proton decay limits. This naturally pushes the $B-L$ breaking scale close to the GUT scale, leading to the formation of metastable cosmic strings, which can provide a gravitational wave spectrum consistent with the recent Pulsar Timing Arrays observation. We perform a detailed analysis of this model using two-loop renormalisation group equations, including threshold corrections, to determine the symmetry-breaking scale consistent with the recent Pulsar Timing Arrays signals such as NANOGrav 15-year data and testable by the next-generation limits on proton decay from Hyper-K and JUNO. Simultaneously, we find the regions of the model parameter space that can predict the measured quark and lepton masses and mixing, baryon asymmetry of our Universe, a viable dark matter candidate and can be tested by a combination of neutrinoless double beta decay searches and limits on the sum of neutrinos masses.

연구 동기 및 목표

• 실제로 작동하는 초대칭적 $SO(10)$ 대통합 이론이 게이지, 페르미온, 뉴트리노 질량 부문을 통합하는지 테스트하는 것.
• GUT 스케일 근처에서 $B-L$ 깨짐으로 인해 생성된 불안정한 우주 끈이 NANOGrav 15년 펄사 시계 조합 탐지기 신호를 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 쿼크와 렙톤 질량 및 혼합을 일치시키기 위해 이중 순환 양자역학군 방정식과 임계 보정을 사용하여 모델의 대칭성 깨짐 스케일을 제약 조건에 둔다는 것.
• 모델이 양성자 비대칭성, 어두운 물질 후보, 검증 가능한 수소 붕괴 모드를 예측하는 데 있어 타당한지 평가하는 것.
• 향후 실험—Hyper-K, JUNO, 그리고 향후 중력파 탐지기—와의 일치성을 평가하는 것.

제안 방법

• 이중 순환 양자역학군 방정식과 임계 보정을 사용하여 초대칭적 $SO(10)$ GUT에서 대칭성 깨짐 스케일을 결정한다.
• $B-L$ 깨짐을 GUT 스케일 근처에서 모델링하여 불안정한 우주 끈을 생성하며, 이들의 붕괴가 확률적 중력파 배경을 만든다.
• 남부-고토 끈 근사법을 사용하여 중력파 에너지 밀도 스펙트럼을 계산하고, 저주파 성분을 억제하기 위해 단극자-반단극자 쌍 생성을 고려한다.
• 차원 다섯 연산자를 통한 수소 붕괴 확률을 계산하며, 특히 $p \to K\bar{\nu}$ 채널에 초점을 맞춘다. 이는 게이지노 질량과 SUSY 붕괴 스케일에 민감하다.
• 뉴트리노 진동 파rameters, 무뉴트리노 이중베타 붕괴, 뉴트리노 질량의 합을 통합하여 모델의 타당성을 테스트한다.
• 게이지 커플링 통합을 가정하여 $B-L$ 깨짐 스케일을 SUSY 붕괴 스케일과 연결한다. 여기서 스퍼미온 질량은 SUSY 붕괴 스케일 근처로 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GUT 스케일 근처에서 $B-L$ 깨짐을 가진 초대칭적 $SO(10)$ GUT가 NANOGrav 15년 펄사 시계 조합 탐지기 신호와 일치하는 중력파 배경을 생성할 수 있는가?
• RQ2 불안정한 우주 끈이 넓은 주파수 스펙트럼을 가진 감지 가능한 확률적 중력파 배경을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 이 모델에서 이중 순환 양자역학군 방정식과 임계 보정이 $B-L$ 깨짐 스케일과 SUSY 붕괴 스케일을 어떻게 제약 조건에 둔다?
• RQ4 이 모델이 관측된 쿼크와 렙톤 질량, 혼합 각도, 양성자 비대칭성, 그리고 타당한 어두운 물질 후보를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ5 향후 수소 붕괴 탐색(예: Hyper-K, JUNO)과 무뉴트리노 이중베타 붕괴 실험을 통해 모델를 얼마나 잘 테스트할 수 있는가?

주요 결과

• $B-L$ 깨짐 스케일은 수소 붕괴 제약 조건으로 인해 자연스럽게 GUT 스케일에 가까워지며, 이는 NANOGrav 15년 신호와 일치하는 불안정한 우주 끈을 가능하게 한다.
• 모델은 넓은 주파수 범위를 가진 중력파 스펙트럼을 예측하며, 이는 펄사 시계 조합 탐지기와 미래 고주파수 탐지기(예: 아이작 뉴턴 전기파 탐지기) 모두에서 감지 가능하다.
• $p \to K\bar{\nu}$ 채널로의 수소 붕괴 확률은 게이지노 질량과 SUSY 붕괴 스케일의 비율에 매우 민감하며, 이는 Hyper-K와 JUNO의 주요 탐지 수단이 된다.
• 이 모델은 오른쪽 뉴트리노를 포함한 시즈모드 메커니즘을 통해 관측된 쿼크와 렙톤 질량 및 혼합 각도를 성공적으로 재현한다.
• 이 모델은 타당한 어두운 물질 후보를 예측하며, 무뉴트리노 이중베타 붕괴와 뉴트리노 질량의 합에 대한 제약 조건과도 일치한다.
• 우주 끈 붕괴에서 발생하는 단극자-반단극자 쌍 생성을 고려함으로써 저주파 중력파 스펙트럼에 자연스러운 截단이 생기며, 이는 안정한 Nambu-Goto 끈보다 PTA 데이터와 더 잘 맞는다.