[论文解读] Neutrino Mass and Proton Decay in a ${U(1)}_R$ Symmetric Model

Yusuke Morita, Hiroaki Nakano+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种具有可见 sector 和隐藏 sector 超对称性自发破缺的 U(1)R 对称超对称模型，其中通过为右手中微子赋予翻转的 R 电荷，使得通过引力微子质量诱导的微小 R 破裂真空期望值（VEV）产生狄拉克型中微子质量。当 m_{3/2} ≈ 1–10 eV 时，该模型可实现具有 O(1) 可见耦合的现实中微子质量；质子衰变由一个新维度五的算符介导，其衰变速率因味对称性而被抑制，从而允许 m_{3/2} > 10 keV 而不与质子稳定性或宇宙学相冲突。

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.

研究动机与目标

• 构建一个具有可见与隐藏 sector 超对称性破缺的 U(1)R 对称超标准模型扩展。
• 通过一个 R 电荷 Higgs 场的微小 R 破裂真空期望值（VEV）解释小狄拉克型中微子质量。
• 研究该模型中质子衰变，特别是由翻转 R 电荷赋值引发的新维度五算符的作用。
• 利用质子稳定性与宇宙学约束，对引力微子质量 m_{3/2} 进行限制。
• 分析伪金斯托因态及其与中性ino 混合的理论物理现象。

提出的方法

• 引入一个 U(1)R 对称性，并为右手中微子赋予翻转的 R 电荷，以允许中微子 Yukawa 耦合与一个 R 电荷 Higgs 场相互作用。
• 通过引力微子质量 m_{3/2} 实现 U(1)R 破裂，从而在 R 对称 Higgs 场上诱导出微小的 VEV。
• 引入 Froggatt-Nielsen（FN）味对称性，通过 FN 电荷抑制来压制维度五质子衰变算符。
• 利用关系式 y_ν^{ij} = f_ν^{ij} ε^{n^c_i + l_j + x_u} 将中微子 Yukawa 耦合与 m_{3/2} 及 R 破裂尺度联系起来。
• 推导出质子寿命 τ_p ∝ ε^{-2Q} (m_{3/2}/1 eV)^4，其中 Q 编码了 FN 电荷抑制效应。
• 分析由 U(1)R 破裂产生的伪金斯托因态 ζ 的质量与混合，包括其对 Higgs 物理与宇宙学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有可见与隐藏 sector 超对称性破缺的 U(1)R 对称超对称模型中，如何生成小狄拉克型中微子质量？
• RQ2 右手中微子的翻转 R 电荷赋值在实现中微子质量与质子衰变中起什么作用？
• RQ3 Froggatt-Nielsen 对称性如何在此模型中抑制维度五质子衰变算符？
• RQ4 质子稳定性对该设定中引力微子质量 m_{3/2} 施加了何种约束？
• RQ5 伪金斯托因态对 Higgs 物理与宇宙学的理论物理现象有何影响？

主要发现

• 当引力微子质量处于 1–10 eV 范围时，可利用 O(1) Yukawa 耦合实现约 0.1 eV 量级的狄拉克型中微子质量。
• 质子寿命估算为 τ_p ≈ 3.7×10^34 yr × (ε^{-2Q}) × (m_{3/2}/1 eV)^4 × (cos²β/0.1)^3，其中 Q 编码了 FN 电荷抑制效应。
• 当 m_{3/2} > 10 keV 时，质子衰变被限制为长寿命，同时避免了宇宙学约束。
• 若 Q ≥ 0，该模型允许 m_{3/2} = 1–10 eV 而不违反质子稳定性，且当 Q 适中时 τ_p > 10^34 yr。
• 伪金斯托因态的质量由 U(1)R 破裂产生，其与中性ino 的混合可能影响 Higgs 粒子衰变模式与宇宙学演化。
• 该模型通过 U(1)R 对称性禁止 LLLL 算符，避免了传统 FN 模型中 μ 项的微调问题，从而允许 Higgs 场具有负的 FN 电荷而无冲突。