[论文解读] Yukawa coupling unification in non-supersymmetric SO(10) models with an intermediate scale

A. Djouadi, Ruiwen Ouyang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种具有中间对称性破缺尺度的非超对称SO(10)大统一理论，通过一个最小的双希格斯双态规范场，在电弱尺度下退化为类型II的2HDM，实现了第三代费米子（顶夸克、底夸克、陶子轻子）的Yukawa耦合统一。关键结果是在Higgs真空期望值之比较大时，即tan β ≈ 60，Yukawa统一可在GUT尺度实现，同时保持微扰性与可行的低能现象学。

ABSTRACT

We discuss the possibility of unifying in a simple and economical manner the Yukawa couplings of third generation fermions in a non-supersymmetric SO(10) model with an intermediate symmetry breaking, focusing on two possible patterns with intermediate Pati-Salam and minimal left-right groups. assume a minimal Yukawa sector at high energy, starting with two Higgs bi-doublets at the intermediate scale which then simply reduce to a two Higgs doublet model at the electroweak scale. We first enforce gauge coupling unification at the two-loop level by including the threshold corrections in the renormalisation group running which are generated by the heavy fields that appear at the intermediate symmetry breaking scale. We then study the running of the Yukawa couplings of the top quark, bottom quark and tau lepton at two-loops in these two breaking schemes, when the appropriate matching conditions are imposed. We find that the unification of the third family Yukawa couplings can be achieved while retaining a viable spectrum, provided that the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublet fields is large, $ an\beta \approx 60$.

研究动机与目标

• 探索在具有中间对称性破缺尺度的非超对称SO(10)大统一理论中，第三代费米子的Yukawa耦合是否可实现统一。
• 研究仅由两个Higgs双态场构成的最小Higgs规范场是否能同时实现规范耦合与Yukawa耦合统一。
• 确定该模型在保持微扰性并符合低能可观测量（包括费米子质量与电弱规范玻色子质量）的前提下是否仍成立。
• 通过确保电弱真空在中间尺度内保持稳定，评估该模型的可行性。

提出的方法

• 理论框架采用SO(10)大统一，经历两步破缺：SO(10) → Pati-Salam或最小左右对称群，破缺尺度为MI ≈ 10^10 GeV，随后在MZ处破缺为SM。
• 在中间尺度使用两个Higgs双态场，其在电弱尺度下退化为类型II的两希格斯双重态模型（2HDM）。
• 执行规范耦合与Yukawa耦合的两圈跑动，包括在MI处重场的阈值修正。
• 在MI和MZ处施加匹配条件，以确保与低能可观测量的一致性，特别是第三代费米子质量。
• 通过要求在两圈水平上与实验数据在2%精度内一致，对参数空间进行约束。
• 分析tan β = vu/vd的作用，通过调节该参数实现Yukawa统一，同时保持微扰性与真空稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有中间尺度的非超对称SO(10)模型中，顶夸克、底夸克与陶子轻子的Yukawa耦合是否可实现统一？
• RQ2 仅使用两个Higgs双态场，且在低能下退化为类型II 2HDM，是否可实现这一统一？
• RQ3 为确保Yukawa统一同时保持耦合微扰性与电弱真空稳定性，所需tan β的值是多少？
• RQ4 中间尺度重场的阈值修正如何影响此设定下的规范耦合统一？
• RQ5 该模型是否能在两圈水平上以2%精度内重现观测到的第三代费米子质量与电弱规范玻色子质量？

主要发现

• 在Pati-Salam和最小左右对称破缺路径中，顶夸克、底夸克与陶子轻子的Yukawa耦合统一在GUT尺度MU ≈ 10^16 GeV处实现。
• Pati-Salam模型中所需tan β = vu/vd约为58，最小左右对称模型中约为70，确保了正确的质量层级与微扰性。
• 该模型在GUT尺度前保持Yukawa耦合的微扰性，所有Yukawa耦合平方在MI处均低于4π。
• 电弱真空在中间尺度MI ≈ 10^10 GeV内保持稳定，满足关键稳定性标准。
• 该模型在两圈水平上以2%精度内重现了观测到的第三代费米子质量与电弱规范玻色子质量。
• 该场景预测存在具有弱尺度质量的额外Higgs玻色子，使其在LHC或未来对撞机上可能被发现。