[论文解读] A Reexamination of Proton Decay in Supersymmetric Grand Unified Theories

K. S. Babu, Matthew J. Strassler|ArXiv.org|Aug 27, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文重新分析了在超对称大统一理论（SUSY GUTs）中的质子衰变，重点关注由带电希格斯ino和规范ino交换诱导的五维算符。研究表明，在大 tanβ 情况下，衰变模式 p → K⁺ν̄_τ 占主导地位，并随 tan⁴β 增强，从而实现精确预测；而电子到缪子的分支比在不同模型中差异显著，其中最小 GUT 模型抑制缪子，而非最小模型则允许接近一阶的比值。

ABSTRACT

We reconsider dimension-five proton decay operators, making semi-quantitative remarks which apply to a large class of supersymmetric GUTs in which the short-distance operators are correlated with the fermion Yukawa couplings. In these GUTs, which include minimal SU(5), the operators $(u^cd_i^c)^\dagger(d_jν_τ)$, induced by charged Higgsino dressing, completely dominate for moderate to large $ anbeta$. The rate for $p arr (K^+,π^+) \barν_τ$ grows rapidly, as $ anbeta^4$, and the K^+ to π^+ branching ratio can often be precisely predicted. At small $ anbeta$ the operators $(u d_i)(d_j ν)$ are dominant, while the operators $(u d_i)(u \ell^-)$, with left-handed charged leptons, are comparable to the neutrino operators in the generic GUT and suppressed in minimal GUTs. Charged-lepton branching fractions are always small at large $ anbeta$. The electron to muon ratio is small in minimal GUTs but can be larger, even of order one, in other models. All other operators are very small. At small $ anbeta$ in non-minimal GUTs, gluino and neutralino dressing effects on neutrino rates are not negligible.

研究动机与目标

• 重新评估超对称大统一理论（SUSY GUTs）中主导的质子衰变算符，尤其关注 tanβ 参数的影响。
• 阐明包括由带电希格斯ino和规范ino（胶微子、中性ino）交换诱导在内的不同五维算符的相对重要性。
• 确定费米子 Yukawa 耦合与 GUT 结构如何影响质子衰变的分支比与衰变速率。
• 评估短距离动力学对质子衰变的影响，特别是在非最小 GUT 与最小 SU(5) 之间的差异。
• 为分支比提供定量预测，特别是涉及带电轻子与奇异强子末态的衰变通道。

提出的方法

• 分析一类 SUSY GUT 中的五维质子衰变算符，其中短距离动力学与费米子 Yukawa 耦合相关联。
• 使用有效场论技术，计算带电希格斯ino云对算符 (u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ) 的贡献。
• 评估胶微子与中性ino交换在小 tanβ 时对中微子末态速率的修正作用。
• 在最小与非最小 GUT 之间比较涉及左手带电轻子 (u d_i)(u σ^-) 与中微子末态 (u d_i)(d_j ν) 的算符相对大小。
• 应用半定量估计推导标度律，例如 K⁺ν̄_τ 衰变的 tan⁴β 依赖性。
• 利用 GUT 希格斯场结构与 R-Parity 保守性，约束算符的主导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大 tanβ 的 SUSY GUT 中，带电希格斯ino交换如何影响主导的质子衰变模式？
• RQ2 为何在非最小 SUSY GUT 中，p → K⁺ν̄_τ 的分支比呈现 tan⁴β 依赖？
• RQ3 什么决定了质子衰变中带电轻子末态与中微子末态的相对大小？
• RQ4 在非最小 GUT 中，小 tanβ 时胶微子与中性ino交换如何影响中微子末态速率？
• RQ5 质子衰变中电子到缪子的分支比具有何种模型依赖性？在最小与非最小 GUT 之间有何差异？

主要发现

• 在中等至大 tanβ 条件下，由带电希格斯ino云诱导的算符 (u^c d_i^c)^† (d_j ν_τ) 主导质子衰变，导致 p → K⁺ν̄_τ 衰变速率出现 tan⁴β 增强。
• 由于 tan⁴β 依赖性极强，许多非最小 GUT 中 p → K⁺ν̄_τ 的分支比可被精确预测。
• 在小 tanβ 时，算符 (u d_i)(d_j ν) 占主导，而 (u d_i)(u σ^-) 在通用 GUT 中与之相当，但在最小 GUT 中被抑制。
• 在大 tanβ 时，带电轻子末态始终被抑制，最小 GUT 中电子对缪子的分支比极小，但在非最小模型中可能达到一阶量级。
• 在非最小 GUT 中，小 tanβ 时胶微子与中性ino对中微子末态速率的影响不可忽略，与直观预期相反。
• 在所考虑的 SUSY GUT 类型中，其余所有五维算符均可忽略。