[论文解读] Nmsgut-II: Fermion fits and soft supersymmetry spectra

Charanjit S. Aulakh, Sumit K. Garg|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种基于 210⊕10⊕120⊕126⊕126̄ Higgs 系统的超对称 SO(10) 大统一理论模型，通过拟合 18 个费米子质量与混合参数点，实现了电弱对称性自发破缺与规范耦合统一，同时在重右手中微子质量的重力重加热范围（10⁸–10¹³ GeV）内生成质量。该模型预测了较重的第三代超费米子、轻的 Bino 作为稳定费米子（LSP），并预测 B 重子数破坏过程的衰变速率为 ~10⁻²⁸ yr⁻¹，超过当前实验限制，文中建议了改进方向。

ABSTRACT

The supersymmetric SO(10) GUT based on the ${\bf{210\oplus 10\oplus 120\oplus 126\oplus {\bar {126}}}}$ Higgs system provides a minimal framework for the emergence of the R-parity exact MSSM at low energies and a viable supersymmetric seesaw explanation for the observed neutrino masses and mixing angles. We present formulae for MSSM decomposition of the superpotential invariants, tree level light charged fermion effective Yukawa couplings, Weinberg neutrino mass generation operator, and the $d=5,\Delta B=\Delta L eq 0$ effective superpotential in terms of GUT parameters. We use them to determine fits of the 18 available fermion mass-mixing data in terms of the superpotential parameters of the NMSGUT and SUGRY(NUHM) type soft supersymmetry breaking parameters ($\{m_{ ilde f},m_{1/2},A_0,M^2_{H,\bar H}\} $) specified at the MSSM one loop unification scale $M_X^0=10^{16.33} $ GeV. Our fits are compatible with electroweak symmetry breaking and Unification constraints and yield right-handed neutrino masses in the leptogenesis relevant range : $10^8-10^{13} $ GeV. Matching the SM data requires lowering the strange and down quark Yukawas in the MSSM via large $ an\beta$ driven threshold corrections and characteristic soft Susy breaking spectra. The Susy spectra have light pure Bino LSP, heavy exotic Higgs(inos) and large $ \mu,A_0,M_{H,\bar{H}}$ parameters $\sim 100$ TeV. Typically third generation sfermions are much \emph{heavier} than the first two generations. The smuon is often the lightest charged sfermion thus offering a Bino-CDM co-annihilation channel. The parameter sets obtained are used to calculate B violation rates which are found to be generically much faster($\sim 10^{-28}\, yr^{-1}$) than the current experimental limits. Improvements which may allow acceptable B violation rates are identified.

研究动机与目标

• 基于 210⊕10⊕120⊕126⊕126̄ Higgs 系统，构建一个最小化的超对称 SO(10) 大统一理论框架，重现具有 R-奇偶性守恒的低能 MSSM 理论。
• 以大统一标度参数表示，确定超势能不变量与有效 Yukawa 耦合的 MSSM 分解。
• 利用大统一标度处的超势能与 SUGRY(NUHM)-型软 SUSY 破坏参数，拟合 18 个观测到的费米子质量与混合参数。
• 确保与电弱对称性自发破缺、规范耦合统一以及通过 seesaw 机制实现的观测中微子质量相容。
• 评估所得谱的理论可行性，尤其关注暗物质二体湮灭与质子衰变速率。

提出的方法

• 从 210⊕10⊕120⊕126⊕126̄ Higgs 系统的大统一超势能出发，推导树图级轻带电费米子有效 Yukawa 耦合的解析公式。
• 计算 Weinberg 算符与 d=5、ΔB=ΔL≠0 的有效超势能，以确定中微子质量与混合角。
• 利用大统一标度处的超势能参数与 SUGRY(NUHM)-型软 SUSY 破坏参数（m_~f, m_{1/2}, A₀, M²_{H,H̄}），在 M_X⁰ = 10¹⁶.³³ GeV 下拟合费米子数据。
• 应用由大异常维数（β 函数）驱动的阈值修正，降低 MSSM 中奇异夸克与下夸克的 Yukawa 耦合，使其与标准模型数据一致。
• 通过数值扫描识别满足统一、电弱对称性自发破缺与中微子质量约束的可行参数集。
• 通过 d=5 算符评估质子衰变速率，并分析 Bino 类 LSP 暗物质的二体湮灭通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SO(10) 大统一理论框架下，210⊕10⊕120⊕126⊕126̄ Higgs 系统能否一致地重现 18 个测量到的费米子质量与混合角？
• RQ2 为实现电弱对称性自发破缺与规范耦合统一，大统一标度处所需的超势能与软 SUSY 破坏参数应取何值？
• RQ3 所得到的超对称谱是否预测了在 (10⁸–10¹³ GeV) 范围内的右手中微子质量，该范围适合热重子生成机制？
• RQ4 基于预测的超费米子质量谱，对暗物质有何影响，特别是关于 Bino-CDM 二体湮灭？
• RQ5 通过 d=5 算符预测的质子衰变速率是否与当前实验限制一致？若不一致，是否需要新物理机制来抑制？

主要发现

• 该模型成功利用大统一标度处的超势能与 SUGRY(NUHM)-型软 SUSY 破坏参数，在 M_X⁰ = 10¹⁶.³³ GeV 下拟合了全部 18 个费米子质量与混合参数。
• 右手中微子质量被确定在 10⁸–10¹³ GeV 范围内，与热重子生成机制的要求一致。
• 软 SUSY 破坏谱包含一个轻的 Bino LSP、较重的奇异 Higgsino，以及较大的 μ、A₀ 与 M²_{H,H̄} 参数（约 100 TeV）。
• 第三代超费米子显著重于前两代，其中超 muon 通常是质量最轻的带电超费米子。
• 该模型预测的质子衰变速率为 ~10⁻²⁸ yr⁻¹ 量级，普遍远快于当前实验限制。
• 本文识别出潜在改进方向——如特定的味结构或非统一的软项——可将质子衰变抑制至可接受水平。