[论文解读] Testing Realistic $SO(10)$ SUSY GUTs with Proton Decay and Gravitational Waves

Bowen Fu, Stephen F. King+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种具有两个中间对称性自发破缺的超对称 $SO(10)$ 大统一理论——$B-L$ 和电弱对称性破缺——其中 $B-L$ 破缺接近大统一尺度，产生亚稳态宇宙弦，形成可被脉冲星计时阵列探测到的引力波背景。该模型同时解释了质子衰变（通过 $p \to K\bar{\nu}$）、通过类型-I seesaw机制的中微子质量、重子不对称性以及一个可行的暗物质候选者，且与 NANOGrav 15 年数据及 Hyper-K 和 JUNO 未来约束一致。

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of a supersymmetric $SO(10)$ Grand Unified Theory, which is broken to the Standard Model via the breaking of two intermediate symmetries. The spontaneous breaking of the first intermediate symmetry, $B-L$, leads to the generation of cosmic strings and right-handed neutrino masses and further to an observable cosmological background of gravitational waves and generation of light neutrino masses via type-I seesaw mechanism. Supersymmetry breaking manifests as sparticle masses below the $B-L$ breaking but far above the electroweak scale due to proton decay limits. This naturally pushes the $B-L$ breaking scale close to the GUT scale, leading to the formation of metastable cosmic strings, which can provide a gravitational wave spectrum consistent with the recent Pulsar Timing Arrays observation. We perform a detailed analysis of this model using two-loop renormalisation group equations, including threshold corrections, to determine the symmetry-breaking scale consistent with the recent Pulsar Timing Arrays signals such as NANOGrav 15-year data and testable by the next-generation limits on proton decay from Hyper-K and JUNO. Simultaneously, we find the regions of the model parameter space that can predict the measured quark and lepton masses and mixing, baryon asymmetry of our Universe, a viable dark matter candidate and can be tested by a combination of neutrinoless double beta decay searches and limits on the sum of neutrinos masses.

研究动机与目标

• 测试一个统一规范、费米子和中微子质量扇区的现实超对称 $SO(10)$ 大统一理论。
• 确定接近大统一尺度的 $B-L$ 破缺所产生的亚稳态宇宙弦是否能解释 NANOGrav 15 年脉冲星计时阵列信号。
• 利用两圈跑动的规范群方程与阈值修正约束该模型，匹配夸克和轻子的质量与混合。
• 评估该模型在预测重子不对称性、暗物质以及可检验的质子衰变模式方面的可行性。
• 评估该模型与未来实验（Hyper-K、JUNO 和未来的引力波探测器）的一致性。

提出的方法

• 使用两圈跑动的规范群方程与阈值修正，确定超对称 $SO(10)$ 大统一理论中的对称性破缺尺度。
• 将 $B-L$ 破缺建模为接近大统一尺度，以产生亚稳态宇宙弦，其衰变产生随机引力波背景。
• 利用 Nambu-Goto 宇宙弦近似计算引力波能量密度谱，并考虑单极子-反单极子对产生以抑制低频分量。
• 通过五维算符计算质子衰变速率，重点关注对 gaugino 质量和超对称破缺尺度敏感的 $p \to K\bar{\nu}$ 通道。
• 整合中微子振荡参数、无双贝塔衰变和中微子质量总和的约束，以检验模型的可行性。
• 通过规范耦合统一假设，将 $B-L$ 破缺尺度与超对称破缺尺度联系起来，假设标量费米子质量接近超对称破缺尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有接近大统一尺度 $B-L$ 破缺的超对称 $SO(10)$ 大统一理论能否产生与 NANOGrav 15 年脉冲星计时阵列信号一致的引力波背景？
• RQ2 亚稳态宇宙弦在产生具有宽频谱的可探测随机引力波背景中起什么作用？
• RQ3 两圈跑动的规范群方程与阈值修正如何约束该模型中的 $B-L$ 破缺尺度与超对称破缺尺度？
• RQ4 该模型能否同时重现观测到的夸克和轻子质量、混合角、重子不对称性以及可行的暗物质候选者？
• RQ5 该模型在多大程度上能通过未来的质子衰变搜索（如 Hyper-K、JUNO）和无双贝塔衰变实验进行检验？

主要发现

• $B-L$ 破缺尺度因质子衰变约束而自然地被推近大统一尺度，从而产生与 NANOGrav 15 年信号一致的亚稳态宇宙弦。
• 该模型预测的引力波谱具有宽广的频率范围，可被脉冲星计时阵列以及未来的高频探测器（如爱因斯坦望远镜）探测到。
• 质子衰变到 $p \to K\bar{\nu}$ 通道的衰变速率对 gaugino 质量与超对称破缺尺度之比高度敏感，使其成为 Hyper-K 和 JUNO 的关键探测探针。
• 该模型通过右手中微子的 seesaw 机制成功重现了观测到的夸克和轻子质量与混合角。
• 该模型预测了一个可行的暗物质候选者，并与无双贝塔衰变和中微子质量总和的约束一致。
• 在宇宙弦衰变中引入单极子-反单极子对产生，为低频引力波谱提供了自然截断，使该模型比稳定 Nambu-Goto 宇宙弦更符合脉冲星计时阵列数据。