[论文解读] Minimal Realistic SU(5) Scenario

Ilja Doršner|ArXiv.org|Jun 22, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种包含五重、十五重和二十四重表示的希格斯场的最小现实SU(5)大统一理论，实现了规范耦合统一，并预测质子衰变寿命低于1.4×10³⁶年。该模型将质子衰变与轻子荷夸克质量联系起来，使其可通过未来的质子衰变和对撞机实验进行检验。

ABSTRACT

We present phenomenological aspects of the simplest realistic SU(5) grand unified theory--the theory with the 5, 15, and 24 dimensional representations in the Higgs sector. We show that a successful gauge coupling unification sets experimentally accessible upper bound on the total proton decay lifetime. It also relates proton decay lifetime to scalar leptoquark mass in an experimentally testable manner. We also discuss an addition of gauge singlets--both fermions and bosons--to the simplest scenario and comment on relevant phenomenological consequences of such modifications.

研究动机与目标

• 构建最简单的现实SU(5)大统一理论，统一规范耦合并预测可实验探测的质子衰变。
• 通过高维算符解决非超对称SU(5)大统一理论中生成真实费米子质量的挑战。
• 通过规范耦合统一约束，建立质子衰变寿命与标量轻子荷夸克质量之间的可检验联系。
• 探索包含SU(5)单重态的理论拓展，以实现轻子生成和与暴胀一致。

提出的方法

• 构建具有五重、十五重和二十四重表示希格斯场的SU(5)大统一理论，确保粒子内容最小化并最大化预测能力。
• 使用一阶和二阶微扰量子化重正化群方程分析规范耦合统一，对大统一尺度和重粒子质量施加约束。
• 应用高维SU(5)-不变算符，修正对第一代和第二代费米子失败的朴素Yukawa统一。
• 通过主导规范玻色子交换评估质子衰变，推导出该模型的总质子寿命上限。
• 分析希格斯扇区中诱导真空期望值的作用，特别是对类型II seesaw机制和中微子质量生成的影响。
• 考虑包含SU(5)单重态费米子和标量的拓展，以实现轻子生成，并兼容暴胀和暗物质情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅包含五重、十五重和二十四重希格斯表示的最小SU(5)大统一理论能否同时实现规范耦合统一和真实费米子质量？
• RQ2 在此最小现实SU(5)情景下，总质子衰变寿命的上限是多少？
• RQ3 该模型中质子衰变速率如何与标量轻子荷夸克质量相关联？
• RQ4 包含SU(5)单重态是否能实现成功的轻子生成和宇宙学一致性？
• RQ5 添加标量和费米子单重态对暴胀和暗物质的理论影响是什么？

主要发现

• 仅含五重、十五重和二十四重希格斯表示的最小SU(5)模型实现了规范耦合统一，并预测总质子衰变寿命最多为1.4×10³⁶年。
• 质子衰变寿命的上限由二阶微扰统一约束推导得出，且与标量轻子荷夸克Φb的质量相关。
• 该模型预测质子衰变将在下一代质子衰变实验中可被检验，这些实验预计灵敏度将提高若干数量级。
• 通过添加SU(5)单重态费米子，可实现通过最轻标量三重态Φa衰变的可行轻子生成机制，要求MΦa ≥ 10⁹–10¹⁰ GeV。
• 可向模型中添加标量单重态，以实现与WMAP数据兼容的Coleman-Weinberg暴胀情景。
• 该模型仍具有可证伪性：若在1.4×10³⁶年以下未观测到质子衰变，则最小SU(5)情景将被排除。