[论文解读] Recent MEG Results and Predictive SO(10) Models

Takeshi Fukuyama, Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出了在预测性 SO(10) 大统一模型中，对近期 MEG 实验在 $μ\to e\gamma$ 衰变道中观测到的 3 个事件结果的基准超对称谱。通过假设在 GUT 标度下软对称性破缺参数为统一，并从费米子质量拟合中完全确定中微子狄拉克 Yukawa 矩阵，该模型预测的 $μ\to e\gamma$ 分支比与 MEG 信号一致，同时满足暗物质遗迹密度和μ子 $g-2$ 的约束，从而产生可被 LHC 检测的信号。

ABSTRACT

Recent MEG results of a search for the lepton flavor violating (LFV) muon decay, $μ o e γ$, show 3 events as the best value for the number of signals in the maximally likelihood fit. Although this result is still far from the evidence/discovery in statistical point of view, it might be a sign of a certain new physics beyond the Standard Model. As has been well-known, supersymmetric (SUSY) models can generate the $μ o e γ$ decay rate within the search reach of the MEG experiment. A certain class of SUSY grand unified theory (GUT) models such as the minimal SUSY SO(10) model (we call this class of models "predictive SO(10) models") can unambiguously determine fermion Yukawa coupling matrices, in particular, the neutrino Dirac Yukawa matrix. Based on the universal boundary conditions for soft SUSY breaking parameters at the GUT scale, we calculate the rate of the $μ o e γ$ process by using the completely determined Dirac Yukawa matrix in two examples of predictive SO(10) models. If we interpret the 3 events in MEG experiment as a positive signal and combine it with other experimental constraints such as the relic density of the neutralino dark matter and recent results on muon $g-2$, we can pin down a parameter set of the universal boundary conditions. Then, we propose benchmark sparticle mass spectra for each predictive SO(10) model, which will be tested at the Large Hadronic Collider.

研究动机与目标

• 将近期 MEG 实验在 $\mu\to e\gamma$ 中观测到的 3 个事件解释为标准模型之外新物理的潜在信号。
• 探讨在所有费米子 Yukawa 矩阵均被完全确定的预测性 SO(10) 大统一模型中，如何产生可探测的 $\mu\to e\gamma$ 衰变率。
• 利用 MEG 信号、中性子暗物质遗迹密度和μ子 $g-2$ 测量结果，约束在 GUT 标度下的统一软对称性破缺参数。
• 推导出最小且简单的 5D SO(10) 模型的基准超粒子质量谱，这些谱在大型强子对撞机（LHC）中可被检验。

提出的方法

• 假设一个具有单一 ${\bf 16}$ 表示的预测性 SO(10) 模型，统一夸克和轻子，从而唯一确定中微子狄拉克 Yukawa 矩阵和右手上中微子质量。
• 在 GUT 标度以下使用最小超对称标准模型（MSSM）作为低能有效理论，并包含右手上中微子的旋量多重态。
• 通过中微子狄拉克 Yukawa 矩阵，利用规范跑动方程（RGE）从 GUT 标度演化到弱标度，生成轻子味破坏（LFV）软项。
• 在 GUT 标度下施加软对称性破缺参数的统一边界条件，并通过要求与 MEG 信号、中性子遗迹密度和μ子 $g-2$ 一致来固定参数。
• 使用完整的 RGE 改进有效拉格朗日量计算 $\mu\to e\gamma$ 分支比，并与 MEG 实验结果 $3\times10^{-12}$ 进行比较。
• 预测 $\tau\to\mu\gamma$ 和 $\tau\to e\gamma$ 的分支比，以评估未来实验的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有完全确定 Yukawa 矩阵的预测性 SO(10) 模型能否解释 MEG 在 $\mu\to e\gamma$ 中观测到的 3 个事件结果？
• RQ2 在 GUT 标度下，哪组统一的软对称性破缺参数能再现 MEG 信号，同时满足宇宙学和 $g-2$ 约束？
• RQ3 在这些模型中，预测的 $\mu\to e\gamma$ 分支比与当前和未来的实验限制相比如何？
• RQ4 在最小且简单的 5D SO(10) 模型中，哪些基准超粒子质量谱与所有约束一致，并可在 LHC 中被检验？
• RQ5 该框架能否预测未来实验中可观测的 $\tau\to\mu\gamma$ 和 $\tau\to e\gamma$ 分支比？

主要发现

• 最小 SO(10) 模型预测的 $\mu\to e\gamma$ 分支比为 $5.74\times10^{-10}$，在结合宇宙学和 $g-2$ 约束后，与 MEG 信号 $3\times10^{-12}$ 一致。
• 简单 5D SO(10) 模型预测的 $\mu\to e\gamma$ 分支比为 $5.53\times10^{-10}$，在相同约束下也与 MEG 信号一致。
• 为这两种模型推导出的基准点满足观测到的中性子遗迹密度和测量到的μ子 $g-2$ 偏差，尤其偏好使用 $\tau$-衰变数据来确定强子贡献。
• 最小 SO(10) 模型预测的 $\tau\to\mu\gamma$ 和 $\tau\to e\gamma$ 分支比分别为 $5.74\times10^{-10}$ 和 $1.32\times10^{-10}$，简单 5D 模型分别为 $5.53\times10^{-10}$ 和 $1.34\times10^{-10}$。
• 这些 $\tau$-轻子 LFV 衰变率低于当前实验限制，但处于未来超 B-工厂的探测范围内，因此可在近期被检验。
• 为每个 SO(10) 模型提出的基准谱在大型强子对撞机中具有可检验性，为低能 LFV 信号与高能对撞机探测之间建立了直接联系。