[论文解读] Standard and Non-Standard Extra Matter for Non-Supersymmetric Unification

Alex Kehagias, N.D. Tracas|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文通过在电弱尺度之上引入额外物质场，研究了非超对称大统一理论，旨在实现通过Pati-Salam或翻转SU(5)两步对称性自发破缺至SU(3)×SU(2)×U(1)Y的SO(10)模型中的一圈规范耦合常数统一。研究表明，无需引入色荷粒子即可实现统一，从而保持质子稳定并提供暗物质候选者，统一尺度约为10^15–10^17 GeV，具体取决于额外物质内容。

ABSTRACT

We perform a general 1-loop analysis by adding extra matter to the SM content, as well as by allowing a non-standard U(1)Y normalization in order to achieve unification. We find numerous solutions with U(1)Y only charged extra matter and unification scale of the order of MU=10^{16} GeV, or with SU(2) charged extra matter with lower MU. We next identify the SM extra matter as originating from the breaking of SO(10) either through the Pati-Salam group SU(4)xSU(2)LxSU(2)R or the flipped SU(5). In both cases, unification can be achieved with a rather minimal extra content. Contrary to the one-step SU(5) unification, in the two-step SO(10) unification we are discussing, coulored extra matter is not necessary. Finally, we discuss a split-supersymmetry like case, where extra matter is added to the split supersymmetric spectrum in order to attain 1-loop unification.

研究动机与目标

• 探讨是否可通过在电弱尺度之上引入额外物质场，在非超对称理论中实现规范耦合常数统一。
• 识别在两步SO(10)对称性破缺情景中导致成功一圈规范耦合常数统一的额外物质表示。
• 比较两步（Pati-Salam或翻转SU(5)）与一步SU(5)统一在色荷粒子内容方面的统一要求。
• 评估此类模型在质子稳定性和暗物质现象学方面的可行性。
• 确定在满足统一尺度和规范耦合收敛性约束的前提下，实现统一所需的最少额外物质内容。

提出的方法

• 使用一圈跑动的规范群规场方程计算规范耦合常数的跑动，同时考虑标准模型和额外物质场的贡献。
• 应用规范耦合常数在统一尺度MU处统一的条件，导出涉及β函数系数差值（δb_ij）和初始耦合反数值的约束方程。
• 考虑两种中间对称性破缺模式：SO(10) → SU(4)×SU(2)L×SU(2)R（Pati-Salam）和SO(10) → SU(5)×U(1)（翻转SU(5)），分析所需的额外物质表示。
• 基于初始耦合值和统一尺度，推导出所需额外物质贡献（b^e_Y, b^e_2）的解析表达式。
• 评估多种额外物质的不可约表示（如SO(10)的10, 16, 45等）及其对β函数的贡献，以确定可行的组合。
• 施加现象学约束：MU ≤ 10^18 GeV，MG ≥ 10^14 GeV（以抑制质子衰变），且每种表示的额外多重态数量不超过2个。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非超对称SO(10)大统一理论中，是否可以在不引入电弱尺度上的色荷粒子的情况下实现规范耦合常数统一？
• RQ2 在两步SO(10)对称性破缺情景中，哪些特定的额外物质表示可实现一圈规范耦合常数统一？
• RQ3 在如轨道模型或D膜模型中，不同的U(1)Y归一化方式如何影响统一尺度和所需额外物质内容？
• RQ4 此类非超对称统一模型中，额外物质谱系在质子衰变、暗物质等现象学约束下的表现如何？
• RQ5 在一步SU(5)与两步SO(10)统一情景之间，实现统一所需的最少额外物质内容有何差异？

主要发现

• 在通过Pati-Salam或翻转SU(5)实现的两步SO(10)模型中，无需在TeV尺度引入色荷粒子即可实现统一，从而避免了异常重同素异构体带来的约束。
• 统一尺度MU位于10^15–10^17 GeV范围内，当额外物质选择为翻转SU(5)模型中的(0,0,2,2,2,2,0,0,2,0,1,0,0,0)时，MU ≈ 4×10^17 GeV。
• 在翻转SU(5)模型中，存在一个可行解，其MG ≈ 10^15 GeV，MU ≈ 4×10^17 GeV，满足质子稳定性和统一约束。
• 该模型支持稳定的暗物质候选者，与一步和两步统一方案中常见的双三重态分裂模式一致。
• 所需额外物质内容最少，每种表示最多仅需两份，且包括U(1)Y荷和SU(2)荷场，但不一定包含胶微子型或色荷态。
• 该分析确认了此前一步SU(5)统一的结果，但将其扩展至两步SO(10)模型，表明在更宽松的粒子内容下仍可实现统一。