[论文解读] Fermion masses and mixings in SO(10) models and the neutrino challenge to SUSY GUTs

Stefano Bertolini, Michal Malinský+1 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 45

一句话总结

本文研究了在具有一个10_H和一个¯126_H希格斯的SO(10)大统一理论中费米子质量与混合，分析了类型-I与类型-II seesaw机制在中微子质量中的相互作用。研究发现，具有可重整化希格斯结构的最小超对称SO(10) GUT无法一致地重现费米子数据，强烈表明 gauge unification 应采用非超对称方案。

ABSTRACT

We present a detailed study of the quark and lepton mass spectra in a SO(10) framework with one 10_H and one \bar{126}_H Higgs representations in the Yukawa sector. We consider in full generality the interplay between type-I and type-II seesaws for neutrino masses. We first perform a \chi^2 fit of fermion masses independent on the detailed structure of the GUT Higgs potential and determine the regions in the parameter space that are preferred by the fermion mass sum rules. We then apply our study to the case of the minimal renormalizable SUSY SO(10) GUT with one 10_H, one \bar{126}_H, one 126_H, and one 210_H Higgs representations. By requiring that proton decay bounds are fulfilled we identify a very limited area in the parameter space where all fermion data are consistently reproduced. We find that in all cases gauge coupling unification in the supersymmetric scenario is severely affected by the presence of lighter than GUT (albeit B-L conserving) states. We then conclusively show that the minimal supersymmetric SO(10) scenario here considered is not consistent with data. The fit of neutrino masses with type-I and type-II seesaws within a renormalizable SO(10) framework strongly suggests a non-SUSY scenario for gauge unification.

研究动机与目标

• 分析SO(10)模型中类型-I与类型-II seesaw机制在中微子质量生成中的相互作用。
• 对夸克与轻子质量进行χ²拟合，独立于GUT希格斯势结构。
• 检验具有一个10_H、一个¯126_H、一个126_H和一个210_H希格斯表示的最小可重整化超对称SO(10) GUT与费米子数据及质子衰变界限的一致性。
• 评估轻于GUT的B-L守恒态对超对称情景下规范耦合统一的影响。
• 确定最小超对称SO(10)框架是否能一致地重现所有费米子质量与混合数据。

提出的方法

• 对包含10_H与¯126_H希格斯表示的SO(10)模型的完整参数空间应用χ²拟合程序，分析费米子质量与混合。
• 同时包含类型-I与类型-II seesaw对中微子质量的贡献，未假设其中一种机制占主导地位，二者同等处理。
• 将模型扩展至具有四个希格斯表示的最小可重整化超对称SO(10) GUT：10_H、¯126_H、126_H与210_H。
• 施加质子衰变界限作为对参数空间的严格约束，尤其影响126_H与210_H的贡献。
• 通过数值方法评估规范耦合统一，考虑存在轻于GUT的态，其仅通过希格斯混合破坏B-L对称性。
• 通过比较预测的费米子质量与混合与所有世代的实验数据，检验模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有10_H、¯126_H、126_H与210_H希格斯表示的最小可重整化超对称SO(10) GUT能否同时一致重现所有费米子质量与混合？
• RQ2 在该超对称SO(10)框架中施加质子衰变界限后，允许的参数空间范围如何？
• RQ3 在可重整化SO(10)模型中，类型-I与类型-II seesaw机制如何共同影响中微子质量预测？
• RQ4 在超对称情景下，轻于GUT的B-L守恒态在多大程度上破坏规范耦合统一？
• RQ5 在同时包含两种seesaw机制的SO(10)模型中，观测到的费米子质量谱是否指向GUT的非超对称完成？

主要发现

• 即使施加了质子衰变界限，具有指定希格斯内容的最小可重整化超对称SO(10) GUT仍无法一致地重现所有费米子数据。
• 满足所有约束的参数空间区域极为有限，且该区域与成功的规范耦合统一不相容。
• 即使B-L守恒，轻于GUT的态的存在也会在超对称情景下严重破坏规范耦合统一。
• 在可重整化SO(10)模型中，类型-I与类型-II seesaw的相互作用强烈倾向于GUT的非超对称完成。
• 本研究得出结论：最小超对称SO(10)模型与当前费米子数据及质子衰变限制不一致。
• 结果强烈表明，SO(10)中的规范统一可能需要非超对称框架才能保持可行。