[论文解读] Roadmap of left-right models rooted in GUT

Joydeep Chakrabortty, Rinku Maji+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了具有左右对称性 $SO(10)$ 和 $E(6)$ 大统一理论，其规范对称性为 $SU(N)_L \otimes SU(N)_R \otimes \mathcal{G}$，通过分析规束耦合的跑动行为，实现统一能标 $\gtrsim 10^{16}$ GeV，同时通过一个中间能标 $\gtrsim 10^{12}$ GeV 避免宇宙学残留物。关键结果表明，在超对称模型中，SUSY 破解能标必须至少为几个 TeV，某些情形下中间能标可低至 $\sim 10^{12}$ GeV，而 SUSY 能标预测约为 $\sim 30$ TeV，这对对撞机探测和暗物质理论具有重要影响。

ABSTRACT

We perform a detailed study of the grand unified theories $SO(10)$ and $E(6)$ with left-right intermediate gauge symmetries of the form $SU(N)_L\otimes SU(N)_R \otimes \mathcal{G}$. Proton decay lifetime constrains the unification scale to be $ \gtrsim 10^{16}$ GeV and, as discussed in this paper, unwanted cosmological relics can be evaded if the intermediate symmetry scale is $ \gtrsim 10^{12}$ GeV. With these conditions, we study the renormalisation group evolution of the gauge couplings and do a comparative analysis of all possible left-right models where unification can occur. Both the D-parity conserved and broken scenarios, as well as the supersymmetric (SUSY) and Non-supersymmetric (Non-SUSY) versions, are considered. In addition to the fermion and scalar representations at each stage of the symmetry breaking, contributing to the $\beta$-functions, we list the intermediate left-right groups which successfully meet these requirements. We make use of the dimension-5 kinetic mixing effective operators for achieving unification and large intermediate scale. A significant result in the supersymmetric case is that to achieve successful unification for some breaking patterns, the scale of SUSY breaking needs to be at least a few TeV. In some of these cases, the intermediate scale can be as low as $\sim 10^{12}$ GeV, for SUSY scale to be $\sim 30$ TeV. This has important consequences in the collider searches for SUSY particles and phenomenology of the lightest neutralino as dark matter.

研究动机与目标

• 探索 $SO(10)$ 和 $E(6)$ 大统一理论中具有左右对称性的中间规范对称性 $SU(N)_L \otimes SU(N)_R \otimes \mathcal{G}$ 的可行性。
• 通过要求统一能标 $\gtrsim 10^{16}$ GeV 来满足质子衰变寿命的约束。
• 通过确保中间对称性能标 $\gtrsim 10^{12}$ GeV 来避免不希望的宇宙学残留物。
• 对 D-宇称守恒与破缺情形，以及超对称与非超对称模型进行比较分析。
• 识别出对 $\beta$-函数有贡献并支持成功统一的费米子和标量表示。

提出的方法

• 分析具有左右对称性的 $SO(10)$ 和 $E(6)$ 大统一理论中规束耦合的跑动行为。
• 利用维度-5 的动力学混合有效算符，以实现较大的中间能标和规束耦合统一。
• 评估在每个对称性自发破缺阶段，费米子和标量表示对 $\beta$-函数的贡献。
• 对满足统一和宇宙学约束的中间左右对称群进行分类。
• 评估在超对称与非超对称情形下，对 SUSY 破解能标和暗物质的影响。
• 在所有对称性破缺模式下，比较 D-宇称守恒与破缺模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $SO(10)$ 和 $E(6)$ 大统一理论中，哪些具有左右对称性的模型能够在 $\gtrsim 10^{16}$ GeV 能标下实现规束耦合统一？
• RQ2 要求中间能标 $\gtrsim 10^{12}$ GeV 对这些模型避免宇宙学残留物的可行性有何影响？
• RQ3 成功统一对超对称左右对称模型中 SUSY 破解能标施加了何种约束？
• RQ4 在哪些对称性破缺模式下，中间能标可降至 $\sim 10^{12}$ GeV，其对应的 SUSY 能标预测为何？
• RQ5 维度-5 的动力学混合算符如何影响这些模型中的统一能标和中间能标？

主要发现

• 在超对称左右对称模型中，为实现特定破缺模式下的成功统一，SUSY 破解能标必须至少为几个 TeV。
• 对于某些可行的破缺模式，中间能标可低至 $\sim 10^{12}$ GeV，而 SUSY 能标预测约为 $\sim 30$ TeV。
• 要求统一能标 $\gtrsim 10^{16}$ GeV 和中间能标 $\gtrsim 10^{12}$ GeV 可有效避免不希望的宇宙学残留物。
• 维度-5 的动力学混合算符在实现大中间能标和规束耦合统一方面起着关键作用。
• 比较分析识别出特定的中间左右对称群，可在满足所有现象学约束的前提下支持统一。
• 研究结果对对撞机探测具有重要影响，特别是对超对称粒子的探测，以及对最轻中性ino 作为暗物质候选者的理论性质。