[论文解读] Neutrino Mass and Proton Decay in a Realistic Supersymmetric SO(10) Model

Matthew Severson|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种具有受约束的 Yukawa 纹理的现实的超对称 SO(10) 大统一模型，该模型同时成功拟合了费米子质量与混合参数——包括 θ₁₃——并自然地抑制了质子衰变。结果表明，质子寿命的限制无需微调即可满足，其中 K⁺ν̄ 模式在类型-II seesaw 情况下仅需约 O(10⁻¹) 的轻微抵消，最大部分寿命约为 ∼10³⁶ 年；而在类型-I seesaw 情况下，寿命可达接近 10³⁸ 年，两者均远超实验探测能力。

ABSTRACT

This work presents a complete analysis of fermion fitting and proton decay in a SUSY $SO(10)$ model previously suggested by Dutta, Mimura, and Mohapatra. A key question in any grand unified theory is whether it satisfies the experimental lower limits on proton partial lifetimes. In generic models, substantial fine-tuning is required among GUT-scale parameters to satisfy the limits. In the proposed model, the ${\bf 10}$, $\overline{\bf{126}}$, and ${\bf 120}$ Yukawa couplings contributing to fermion masses have restricted textures intended to give favorable results for proton lifetime, while still giving rise to a realistic fermion sector, without the need for fine-tuning, even for large $ anβ$, and for either type-I or type-II dominance in the neutrino mass matrix. In this thesis, I investigate the above hypothesis at a strict numerical level of scrutiny; I obtain a valid fit for the entire fermion sector for both types of seesaw dominance, including $θ_{13}$ in good agreement with the most recent data. For the case with type-II seesaw, I find that, using the Yukawa couplings fixed by the successful fermion sector fit, proton partial lifetime limits are readily satisfied for all but one of the pertinent decay modes for nearly arbitrary values of the triplet-Higgs mixing parameters, with the $K^+ \barν$ mode requiring a ${\cal O}(10^{-1})$ cancellation in order to satisfy its limit. I also find a maximum partial lifetime for that mode of $τ(K^+ \barν) \sim 10^{36}\,$years. For the type-I seesaw case, I find that $K^+ \barν$ decay mode is satisfied for any values of the triplet mixing parameters giving no major enhancement, and all other modes are easily satisfied for arbitrary mixing values; I also find a maximum partial lifetime for $K^+ \barν$ of nearly $10^{38}\,$years, which is sub-dominant to gauge boson decay channels.

研究动机与目标

• 测试具有受限 Yukawa 纹理的超对称 SO(10) 模型是否能同时再现观测到的费米子质量与混合参数。
• 研究该模型中质子衰变部分寿命是否在不需微调 GUT 能标参数的前提下满足严格的实验下限。
• 在相同框架内检验类型-I 与类型-II seesaw 机制在中微子质量生成中的可行性。
• 在费米子 sector 拟合的约束下，确定关键衰变模式（尤其是 K⁺ν̄）的最大可能质子部分寿命。
• 评估该模型是否仍可通过未来实验（如 Hyper-K）进行检验，基于预测的质子寿命量级。

提出的方法

• 采用数值最小化卡方方法，利用来自 10、120 和 ̄126 表示的 Yukawa 耦合，拟合所有费米子 sector 参数，包括反应堆角 θ₁₃。
• 将成功拟合费米子质量的 Yukawa 耦合作为输入，用于质子衰变计算，随后扫描重三重态 Higgs 混合参数空间。
• 使用由 Higgsino 和色荷 Higgsino 介导的维度-6 有效算符计算质子衰变振幅，费曼图在附录中明确推导。
• 采用多组随机种子的数值扫描，探索完整参数空间，并识别满足所有实验约束的区域。
• 对 τ(K⁺ν̄) 的分布进行统计分析，以估计上限并评估大寿命的可能性。
• 比较类型-I 与类型-II seesaw 情况下的结果，评估质子衰变抑制机制的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有受约束 Yukawa 纹理的现实 SO(10) GUT 模型是否能无需微调地同时拟合所有费米子质量与混合角，包括 θ₁₃？
• RQ2 该模型是否自然地抑制质子衰变，使其满足当前实验对部分寿命的下限限制，特别是 K⁺ν̄ 衰变模式？
• RQ3 在类型-II seesaw 情况下，K⁺ν̄ 衰变模式的最大预测部分寿命是多少？为满足实验限制是否需要微调？
• RQ4 在该模型中，类型-I 与类型-II seesaw 机制在质子衰变抑制方面有何差异？哪种情形允许更大的寿命？
• RQ5 该模型预测的质子寿命是否在 Hyper-K 等未来实验的探测范围内，还是已远超其灵敏度？

主要发现

• 该模型在无需微调的前提下，成功拟合了所有费米子 sector 参数，包括 θ₁₃，适用于类型-I 与类型-II seesaw 主导情形。
• 在类型-II seesaw 情况下，除 K⁺ν̄ 外的所有质子衰变模式对几乎任意三重态混合参数均满足实验限制，而 K⁺ν̄ 仅需约 O(10⁻¹) 的轻微抵消。
• K⁺ν̄ 模式的最大部分寿命估计约为 ∼10³⁶ 年，可视为实际的上限，使该模式最终可被探测。
• 在类型-I seesaw 情况下，所有衰变模式对非增强型混合参数均满足限制，且 K⁺ν̄ 寿命达到接近 10³⁸ 年的统计上限。
• 在两种情形下，K⁺ν̄ 模式的寿命均低于规范 boson 交换通道，且远超 Hyper-K 及其他近期实验的探测灵敏度。
• 该模型的 Yukawa 纹理假设成功抑制了质子衰变而无需微调，相较于通用 GUT 模型在现象学上具有显著进步。