[论文解读] Proton Decay in the Supersymmetric Grand Unified Models

Junji Hisano|ArXiv.org|Apr 28, 2000

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 10

一句话总结

本文研究了在超对称大统一理论（SUSY GUTs）中的质子衰变，重点关注最小超对称 SU(5) 模型。分析了两种机制——X 规范玻色子交换和有色 Higgs 交换，表明后者导致依赖于模型的质子寿命，对诸如有色 Higgs 粒子质量与 R 对称性破缺等参数敏感。关键结果是，由于有色 Higgs 交换导致的预测寿命过短，最小超对称 SU(5) GUT 被当前的质子衰变搜索排除；但若 X 玻色子质量超过 ~1.1×10¹⁶ GeV，X 玻色子介导的衰变仍具可行性。

ABSTRACT

In this article we review proton decay in the supersymmetric grand unified models.

研究动机与目标

• 基于质子衰变约束，评估最小超对称 SU(5) 大统一理论（SUSY SU(5) GUT）的可行性。
• 研究由有色 Higgs 交换引发的质子衰变速率的模型依赖性，该过程产生五维算符。
• 评估通过 X 规范玻色子交换产生的质子衰变速率，该过程生成六维算符，对模型细节不甚敏感。
• 确定与规范耦合统一及微扰性一致的 X 玻色子质量下限。
• 探讨额外轻物质多重态对质子衰变速率及规范耦合统一的影响。

提出的方法

• 采用最小超对称 SU(5) GUT 框架，将 Higgs 双态与有色 Higgs 嵌入 5 和 5* 多重态中。
• 通过有色 Higgs 交换推导出五维重子数破坏算符，其比例与 1/M_H_C² 成正比。
• 应用跑动规范耦合的重整化群方程，计算规范耦合的跑动并约束大统一尺度。
• 利用格点 QCD 计算确定强子矩阵元 α_H ≈ -0.015 GeV³，不确定度约 10%。
• 构建包含 α_H、α_5、A_R 和 M_X 的质子衰变率公式，明确依赖于 M_X⁴。
• 进行数值分析，展示质子寿命随 M_X 及额外物质对 β 函数贡献的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 最小超对称 SU(5) GUT 通过有色 Higgs 交换预测的质子衰变速率是多少？是否与当前实验限制一致？
• RQ2 通过 X 规范玻色子交换的质子衰变速率如何依赖于 X 玻色子质量？当前数据暗示的 M_X 下限是多少？
• RQ3 额外轻物质多重态（如额外的 5+5* 或 10+10*）如何影响 SUSY GUT 中的质子衰变速率与规范耦合统一？
• RQ4 强子矩阵元 α_H 在决定质子衰变速率中的作用是什么？其格点 QCD 计算值如何影响预测结果？
• RQ5 最小超对称 SU(5) GUT 是否可被质子衰变搜索排除？还是 X 玻色子介导的衰变仍具可行性？

主要发现

• 由于有色 Higgs 交换诱导的五维算符，最小超对称 SU(5) GUT 被当前质子衰变搜索排除，其预测寿命极短（约 10³⁵ 年）。
• 通过 X 玻色子交换的质子衰变速率与 M_X⁻⁴ 成正比；当 M_X = 10¹⁶ GeV 时，预测寿命为 1.0×10³⁵ 年，假设 α_H = -0.015 GeV³。
• X 玻色子质量的下限为 M_X ≥ 1.1×10¹⁶ GeV，该结果由规范耦合统一与微扰性约束推导得出。
• 包含质量低至 100 GeV 的额外物质多重态会增加质子衰变速率，尤其当其对 β 函数的贡献超过 1 时更为显著。
• 格点 QCD 计算得到的 α_H 值为 -0.015 GeV³，不确定度约 10%，减少了以往理论上的模糊性，提升了预测精度。
• 有色 Higgs 介导衰变的模型依赖性意味着尽管最小模型已被排除，但 X 玻色子介导的衰变仍是 SUSY GUT 中可行且可检验的预测。