[論文レビュー] Upper Bound of Proton Lifetime in Product-Group Unification

Masahiro Ibe, Taizan Watari|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2003

Nuclear physics research studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、SU(5)_{GUT} × U(N)_H supersymmetric grand unified theories (N=2,3) における陽子崩壊の、アンサーツに依存しない完全な解析を提示し、正規化群の漸近的発散としきい値補正による制約から、GUTゲージボソン質量に上限が存在することを示している。陽子寿命の上限は、U(2)_H に対しては τ(p→π⁰e⁺) < 6.0×10³³ 年、U(3)_H に対しては < 5.3×10³⁵ 年であり、将来の実験で検証可能な予測を提供する。

ABSTRACT

Models of supersymmetric grand unified theories based on SU(5)_GUT imes U(N)_H gauge group (N = 2,3) have a symmetry that guarantees light Higgs doublets and absence of dimension-five proton decay operators. We analysed the proton decay induced by gauge-boson exchange in the models. Upper bounds of proton lifetime are obtained; τ(p o π^0e^+) \lsim 6.0 imes 10^{33} yrs in the SU(5)_GUT imes U(2)_H model and τ(p o π^0e^+) \lsim 5.3 imes 10^{35} yrs in the SU(5)_GUT imes U(3)_H model. Various uncertainties in the predictions are also discussed.

研究の動機と目的

• アンサーツを用いないSU(5)_{GUT} × U(N)_H モデルにおける陽子寿命の上限を特定すること。
• MSSMゲージカップリングの統一と残りのパラメータを計算可能な領域に制限することにより、GUTゲージボソン質量を固定すること。
• SUSY破れパラメータがU(2)_HおよびU(3)_Hモデルにおける陽子寿命の上限に与える影響を調査すること。
• QCDカップリング定数の不確実性とSUSYしきい値補正の影響が予測された陽子寿命に与える影響を評価すること。

提案手法

• SU(5)_{GUT} × U(N)_H モデルにおけるゲージカップリングの1ループ正規化群方程式（RGE）を用いた解析であり、U(N)_H セクターはN=2近傍のSUSY固定点に近いと仮定されている。
• モデルのゲージカップリングを電弱スケールにおける観測されたMSSM値に一致させることで、3つのパラメータを固定している。
• 残りのパラメータは計算可能な領域に制限され、これによりGUTスケールおよびそれによるゲージボソン質量の有界な範囲が得られる。
• 陽子崩壊率はゲージボソン交換を通じて計算され、寿命はゲージボソン質量の4乗に比例する。
• UV安定性とRGEフローとの整合性を満たす制約の下で、ゲージボソン質量を最大化することで陽子寿命の上限を導出している。
• SUSY粒子によるしきい値補正はSUSY破れパラメータの関数として含まれており、QCDカップリング定数の不確実性（±2σ）は最終的な上限に伝搬されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのパラメータがゲージカップリングの統一と計算可能性の要件によって制約される場合、SU(5)_{GUT} × U(2)_H モデルにおける陽子寿命の最大値は何か？
• RQ2 SUSYしきい値補正を含めた場合、SU(5)_{GUT} × U(3)_H モデルにおける陽子寿命の上限にどのような影響が生じるか？
• RQ3 次元5の演算子が禁止されるモデルにおいて、ゲージ媒介による陽子崩壊に依存する場合、陽子寿命は上界から制限されるか？
• RQ4 陽子寿命の上限は、QCDカップリング定数の不確実性およびSUSY破れパラメータの選択にどれほど敏感か？

主な発見

• SU(5)_{GUT} × U(2)_H モデルにおける陽子寿命の上限は、±2σのQCDカップリング定数の不確実性を含む保守的仮定のもとで、τ(p→π⁰e⁺) < 6.0×10³³ 年である。
• SU(5)_{GUT} × U(3)_H モデルでは、上限がτ(p→π⁰e⁺) < 5.3×10³⁵ 年であり、これはゲージ対称性の増強によりU(2)_Hの場合よりも顕著に高い。
• これらの上限は、次世代の水チェレンコフ検出器を含む将来の陽子崩壊実験で検証可能な予測である。
• 解析により、UV安定性と正規化群フローにおける計算可能性の要件から、GUTゲージボソン質量が上界によって制限されることを示している。
• SUSYしきい値補正を組み込むことで、上限がSUSY破れパラメータに依存するようになることが判明し、物性予測において考慮すべきである。
• U(N)_H セクターにおけるN=2 SUSY固定点からのわずかなずれに対しても、結果は頑健であり、RGEフローは安定しており、上限は保守的である。