[논문 리뷰] Neutrino Mass and Proton Decay in a ${U(1)}_R$ Symmetric Model

Yusuke Morita, Hiroaki Nakano외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 가시세계와 은신세계 초대칭 위반을 갖는 U(1)R 대칭 초대칭 모형을 제안한다. 오른쪽 수소 중성자에 대해 뒤집힌 R-전하 할당은 중력보 질량에 의해 유도된 미세한 R-비대칭 진공기대값을 통해 디랙 중성자 질량을 가능하게 한다. m_{3/2} ≈ 1–10 eV일 때, 이 모형은 O(1) 양자역학 결합 상수를 통해 현실적인 중성자 질량을 생성하며, 양성자 붕괴는 새로운 차원 다섯 연산자에 의해 매개되는데, 이는 맛 대칭에 의해 억제되어 m_{3/2} > 10 keV이어도 양성자 안정성이나 천문학적 관측과 충돌하지 않는다.

ABSTRACT

We study a ${U(1)}_R$ symmetric extenstion of supersymmetric standard model with supersymmetry breaking in the visible as well as hidden sectors. Specifically we study ${U(1)}_R$ breaking effects parametrized by the gravitino mass. A special $R$-charge assignment of right-handed neutrinos allows us to have neutrino Yukawa couplings with the $R$-charged Higgs field, which develops a tiny vacuum expectation value after the inclusion of $U(1)_R$ symmetry breaking. Even with O(1) Yukawa couplings, a suitable size of Dirac neutrino masses can be generated if the gravitino mass is very small, $m_{3/2}=1\hbox{---}10\,\mathrm{eV}$. Our flipped $R$-charge assignment also allows a new type of dimension five operator that can induce the proton decay. It turns out that the proton stability mildly constrains the allowed range of the gravitino mass: Gravitino heavier than $10 \ \mathrm{keV}$ can evade the proton decay constraint as well as cosmological ones. In this case, the largest neutrino Yukawa coupling is comparable to the electron Yukawa. We also calculate the mass of the pseudo goldsino and its mixing to neutralinos, and briefly discuss its implications in cosmology and Higgs phenomenology.

연구 동기 및 목표

• 가시세계와 은신세계 초대칭 위반을 갖는 U(1)R 대칭 초대칭 모형의 확장 구축
• R-전하를 가진 힉스 필드의 미세한 R-비대칭 진공기대값을 통해 작은 디랙 중성자 질량을 설명
• 이 모형에서의 양성자 붕괴를 연구하고, 뒤집힌 R-전하 할당으로 인해 나타나는 새로운 차원 다섯 연산자의 역할을 분석
• 양성자 안정성과 천문학적 제약 조건을 사용하여 중력보 질량 m_{3/2}를 제약
• 형상의 가짜 골드스틴 상태와 중성자인의 혼합 현상학적 분석

제안 방법

• 오른쪽 수소 중성자에 대해 R-전하 할당을 뒤집어, R-전하를 가진 힉스 필드와의 중성자 양자역학 결합 가능하게 하기 위해 U(1)R 대칭 도입
• 중력보 질량 m_{3/2}에 의해 U(1)R 대칭 위반 모델링을 통해 R-파트너 힉스 필드의 미세한 진공기대값 생성
• Froggatt-Nielsen (FN) 맛 대칭을 도입하여 FN 전하 억제를 통해 차원 다섯 양성자 붕괴 연산자 억제
• 중성자 양자역학 결합 상수 y_ν^{ij} = f_ν^{ij} ε^{n^c_i + l_j + x_u} 를 통해 m_{3/2}와 R-비대칭 스케일 연계
• 양성자 수명 τ_p ∝ ε^{-2Q} (m_{3/2}/1 eV)^4 를 유도하며, Q는 FN 전하 억제를 포함
• U(1)R 위반으로 인한 가짜 골드스틴 상태 ζ의 질량과 혼합 분석을 통해 힉스 물리학 및 천문학적 영향 고려

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가시세계와 은신세계 초대칭 위반을 갖는 U(1)R 대칭 초대칭 모형에서 작은 디랙 중성자 질량은 어떻게 생성될 수 있는가?
• RQ2 오른쪽 수소 중성자에 대한 뒤집힌 R-전하 할당은 중성자 질량과 양성자 붕괴에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Froggatt-Nielsen 대칭은 이 모형에서 차원 다섯 양성자 붕괴 연산자를 어떻게 억제하는가?
• RQ4 양성자 안정성은 이 설정에서 중력보 질량 m_{3/2}에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 가짜 골드스틴 상태의 현상학적 영향은 힉스 물리학과 천문학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중력보 질량이 1–10 eV 범위일 경우, O(1) 양자역학 결합 상수를 통해 약 0.1 eV 수준의 디랙 중성자 질량 생성 가능
• 양성자 수명은 τ_p ≈ 3.7×10^34 yr × (ε^{-2Q}) × (m_{3/2}/1 eV)^4 × (cos²β/0.1)^3 으로 추정되며, Q는 FN 전하 억제를 포함
• m_{3/2} > 10 keV일 경우, 양성자 붕괴는 매우 장수하며 천문학적 제약 조건도 회피 가능
• Q ≥ 0 이면 m_{3/2} = 1–10 eV 범위에서 양성자 안정성 위반 없이 허용되며, 중간 수준의 Q에서는 τ_p > 10^34 yr
• 가짜 골드스틴 상태의 질량은 U(1)R 위반에 의해 유도되며, 중성자인과의 혼합은 힉스 붕괴 모드와 천문학적 진화에 영향을 줄 수 있음
• U(1)R 대칭에 의해 LLLL 연산 금지로 기존 FN 모형의 μ-항의 정밀 조정 문제를 피할 수 있으며, 힉스 필드에 음수의 FN 전하를 허용함에도 불구하고 갈등 없음