[论文解读] Low Intermediate Scales for Leptogenesis in SUSY SO(10) GUTs

Swarup Kumar Majee, M. K. Parida+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2007

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一句话总结

本文通过研究双态希格斯标量或三重态希格斯场实现左右对称性自发破缺的两种机制，探讨了在最小超对称SO(10)大统一理论中实现低中间尺度轻子生成的可能性。研究发现，通过阈值修正、非可重整算符或额外的轻希格斯多重态，规范耦合统一性可在远低于$M_R$的尺度下得以保持——在双态模型中甚至可降至TeV区域，从而实现可行的轻子生成并具备LHC可探测性。

ABSTRACT

A low intermediate scale within minimal supersymmetric SO(10) GUTs is a desirable feature to accommodate leptogenesis. We explore this possibility in models where the intermediate gauge symmetry breaks spontaneously by (a) doublet Higgs scalars and also (b) by triplets. In both scenarios gauge coupling unification requires the scale of left-right symmetry breaking ($M_R$) to be close to the unification scale. This will entail unnaturally small neutrino Yukawa couplings to avoid the gravitino problem and allow successful leptogenesis. We point out that any one of three options -- threshold corrections due to the mass spectrum near the unification scale, gravity induced non-renormalizable terms near the Planck scale, or presence of additional light Higgs multiplets -- can permit unification along with much lower values of $M_R$ as required for leptogenesis. In the triplet model, independent of these corrections, we find a lower bound on the intermediate scale, $M_R > 10^9$ GeV, arising from the requirement that the theory remains perturbative at least upto the GUT scale. We show that in the doublet model $M_R$ can even be in the TeV region which, apart from resonant leptogenesis can be tested at LHC and ILC.

研究动机与目标

• 解决在最小超对称SO(10)大统一理论中实现低中间尺度轻子生成的挑战，同时不破坏规范耦合统一性。
• 调和低$M_R$（轻子生成所需）与传统模型中为保持统一性所需$M_R \sim M_{\text{GUT}}$之间的矛盾。
• 识别出可显著降低$M_R$同时保持微扰统一性并避免引力子问题的可行机制。
• 评估在双态与三重态希格斯破缺情景下，低尺度$M_R$的理论可行性。
• 确定此类低$M_R$尺度是否可在LHC或ILC上探测，特别是双态希格斯模型中。

提出的方法

• 分析通过双态希格斯标量实现左右对称性自发破缺的最小超对称SO(10)大统一理论。
• 考虑通过三重态希格斯场实现替代破缺，分析其对$M_R$的约束。
• 应用接近大统一尺度的粒子谱的阈值修正，以缓解对$M_R \sim M_{\text{GUT}}$的要求。
• 引入接近普朗克尺度的引力诱导非可重整算符，以改变统一条件。
• 引入额外的轻希格斯多重态，以改变规范耦合的跑动行为，从而允许更低的$M_R$。
• 进行微扰性分析，推导出在三重态模型中保持至大统一尺度的$M_R$下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在最小超对称SO(10)大统一理论中实现低中间尺度轻子生成，而不破坏规范耦合统一性？
• RQ2 哪些机制可使$M_R$显著低于大统一尺度，同时保持统一性？
• RQ3 阈值修正、非可重整算符或额外希格斯多重态如何影响低$M_R$的可行性？
• RQ4 在保持微扰性条件下，三重态希格斯破缺模型中允许的最小$M_R$尺度是多少？
• RQ5 $M_R$是否低至可在LHC或ILC上探测，特别是在双态希格斯模型中？

主要发现

• 在双态希格斯模型中，$M_R$可低至TeV量级，从而可在LHC和ILC上实现直接实验探测。
• 在三重态希格斯模型中，基于至大统一尺度的微扰性，推导出$M_R > 10^9$ GeV的下限。
• 来自接近统一尺度粒子的阈值修正可使$M_R$降低，同时保持规范耦合统一性。
• 接近普朗克尺度的引力诱导非可重整算符提供了另一种缓解$M_R$要求的机制。
• 额外轻希格斯多重态的存在为实现低$M_R$提供了另一条可行路径，且不破坏统一性。
• 三种机制——阈值修正、非可重整算符与额外希格斯场——可同时允许统一性与低$M_R$，并避免引力子问题。