[论文解读] Upper Bound of Proton Lifetime in Product-Group Unification

Masahiro Ibe, Taizan Watari|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2003

Nuclear physics research studies被引用 8

一句话总结

本文对 SU(5)_{GUT} × U(N)_H 超对称大统一理论（N=2,3）中的质子衰变进行了完整且无需假设的分析，表明由于大统一规范玻色子质量受到跑代群演化和阈值修正的约束，质子寿命存在上限。对于 U(2)_H，τ(p→π⁰e⁺) < 6.0×10³³ 年；对于 U(3)_H，τ(p→π⁰e⁺) < 5.3×10³⁵ 年，为未来实验提供了可检验的预测。

ABSTRACT

Models of supersymmetric grand unified theories based on SU(5)_GUT imes U(N)_H gauge group (N = 2,3) have a symmetry that guarantees light Higgs doublets and absence of dimension-five proton decay operators. We analysed the proton decay induced by gauge-boson exchange in the models. Upper bounds of proton lifetime are obtained; τ(p o π^0e^+) \lsim 6.0 imes 10^{33} yrs in the SU(5)_GUT imes U(2)_H model and τ(p o π^0e^+) \lsim 5.3 imes 10^{35} yrs in the SU(5)_GUT imes U(3)_H model. Various uncertainties in the predictions are also discussed.

研究动机与目标

• 在不依赖简化假设的前提下，确定 SU(5)_{GUT} × U(N)_H 模型中质子寿命的上限。
• 通过 MSSM 规范耦合统一固定三个参数，从而约束大统一规范玻色子质量，并将剩余参数限制在可计算区域内。
• 研究超对称性破缺参数如何影响 U(2)_H 和 U(3)_H 模型中质子寿命的上限。
• 评估 QCD 耦合常数和超对称阈值修正的不确定性对预测质子寿命的影响。

提出的方法

• 分析使用 SU(5)_{GUT} × U(N)_H 模型中规范耦合的单圈跑代群方程（RGEs），假设 U(N)_H 部分接近 N=2 超对称固定点。
• 通过将模型的规范耦合与电弱尺度下的实验观测 MSSM 值匹配，固定三个参数。
• 将剩余参数约束在可计算区域内，从而对大统一尺度及由此确定的规范玻色子质量范围施加边界。
• 通过规范玻色子交换计算质子衰变率，质子寿命与规范玻色子质量的四次方成反比。
• 通过在紫外稳定性与跑代群演化一致性的约束下最大化规范玻色子质量，推导出质子寿命的上限。
• 将超对称粒子的阈值修正作为超对称性破缺参数的函数纳入计算，并将 QCD 耦合常数的不确定性（±2σ）传播至最终边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所有参数均通过规范耦合统一和可计算性约束的前提下，SU(5)_{GUT} × U(2)_H 模型中质子寿命的最大可能值是多少？
• RQ2 在 SU(5)_{GUT} × U(3)_H 模型中，包含超对称阈值修正如何影响质子寿命的上限？
• RQ3 在禁止维度五算符、仅依赖规范介导质子衰变的模型中，质子寿命是否仍可被上限约束？
• RQ4 上限对 QCD 耦合常数的不确定性和超对称性破缺参数选择的敏感性如何？

主要发现

• 在 SU(5)_{GUT} × U(2)_H 模型中，质子寿命的上限为 τ(p→π⁰e⁺) < 6.0×10³³ 年，该结果基于保守假设，包括 QCD 耦合常数的 ±2σ 不确定性。
• 对于 SU(5)_{GUT} × U(3)_H 模型，质子寿命的上限为 τ(p→π⁰e⁺) < 5.3×10³⁵ 年，由于规范对称性增强，该上限显著高于 U(2)_H 情况。
• 这些上限是可被未来实验检验的预测，尤其适用于下一代水切伦科夫探测器。
• 分析表明，由于紫外稳定性与跑代群演化中可计算性的要求，大统一规范玻色子质量存在上限。
• 引入超对称阈值修正后，上限依赖于超对称性破缺参数，因此在现象学预测中必须加以考虑。
• 即使 U(N)_H 部分偏离 N=2 超对称固定点，结果仍具鲁棒性，因为跑代群演化保持稳定，且边界保守。