Quick Search:
Author: Title/Abstract: Vol./No: Page:

Prog. Theor. Phys. Vol. 124 No. 5 (2010) pp. 761-868

[ Full Text PDF : FREE ACCESS (891K) ]

Minimal Supersymmetric SU(5) Model with Nonrenormalizable Operators

— Seesaw Mechanism and Violation of Flavour and CP

Francesca Borzumati1,2 and Toshifumi Yamashita3

1Department of Physics, National Taiwan University, Taipei 10617, Taiwan
2Theory Division, KEK, Tsukuba 305-0801, Japan
3Department of Physics, Nagoya University, Nagoya 464-8602, Japan

(Received July 16, 2010)

Abstract:

Flavour and CP violations that the neutrino-seesaw couplings of types I, II, and III induce radiatively in the soft massive parameters of the minimal supersymmetric SU(5) model, made realistic by nonrenormalizable operators, are analyzed. Effective couplings are used to parametrize the couplings of renormalizable operators and of the corrections that nonrenormalizable ones provide at the tree level. It is found that for a limited, but sufficient accuracy in the calculations of such violations, it is possible to extend the picture of effective couplings to the quantum level, all the way to the cutoff scale. The arbitrariness introduced by nonrenormalizable operators is analyzed in detail. It is shown that it can be drastically reduced in the Yukawa sector if the effective Yukawa couplings involving colored triplet Higgs bosons are tuned to suppress the decay rate of the proton. In the supersymmetry-breaking sector, the usual requirement of independence of flavour and field type for the mechanism of mediation of supersymmetry breaking is not sufficient to forbid arbitrary flavour and CP violations at the tree level. Special conditions to be added to this requirement, under which such violations can be avoided, are identified. Depending on how and whether these conditions are implemented, different phenomenological scenarios emerge. Flavour and CP violations of soft massive parameters induced by neutrino-seesaw couplings are discussed explicitly for the simplest scenario, in which no such violations are present at the tree level. Guidelines for studying them in other, less simple scenarios are given. Lists of all renormalization group equations needed for their calculations are provided for each of the three types of seesaw mechanism, at all energies between the TeV scale and Planck scale.

Subject Index : 113, 132, 140, 142
URL : http://ptp.ipap.jp/link?PTP/124/761/
DOI : 10.1143/PTP.124.761

[ Full Text PDF : FREE ACCESS (891K) ] Citation:


References:

  1. M. Artuso et al., Eur. Phys. J. C 57 (2008), 309.
  2. J. R. Ellis and D. V. Nanopoulos, Phys. Lett. B 110 (1982), 44[CrossRef].
    R. Barbieri and R. Gatto, Phys. Lett. B 110 (1982), 211[CrossRef].
  3. J. F. Donoghue, H. P. Nilles and D. Wyler, Phys. Lett. B 128 (1983), 55[CrossRef].
  4. A. Bouquet, J. Kaplan and C. A. Savoy, Phys. Lett. B 148 (1984), 69[CrossRef].
  5. M. Dugan, B. Grinstein and L. J. Hall, Nucl. Phys. B 255 (1985), 413[CrossRef].
  6. S. Bertolini, F. Borzumati, A. Masiero and G. Ridolfi, Nucl. Phys. B 353 (1991), 591[CrossRef].
  7. L. J. Hall and L. Randall, Phys. Rev. Lett. 65 (1990), 2939[APS].
    G. D'Ambrosio, G. F. Giudice, G. Isidori and A. Strumia, Nucl. Phys. B 645 (2002), 155[CrossRef].
  8. N. Oshimo, Nucl. Phys. B 404 (1993), 20[CrossRef].
    F. Borzumati, Z. Phys. C 63 (1994), 291.
    F. Borzumati, M. Olechowski and S. Pokorski, Phys. Lett. B 349 (1995), 311[CrossRef].
    R. Rattazzi and U. Sarid, Nucl. Phys. B 501 (1997), 297[CrossRef].
    F. Borzumati, hep-ph/9702307[e-print arXiv].
  9. P. Minkowski, Phys. Lett. B 67 (1977), 421[CrossRef].
    T. Yanagida, in Proceedings of the Workshop on the Unified Theory and Baryon Number in the Universe, KEK report 79-18, ed. O. Sawada and A. Sugamoto (KEK, 1979), p. 95.
    M. Gell-Mann, P. Ramond, R. Slansky, in Supergravity, ed. P. van Nieuwenhuizen and D. Z. Freedman (North Holland, Amsterdam, 1979), p. 315.
  10. W. Konetschny and W. Kummer, Phys. Lett. B 70 (1977), 433[CrossRef].
    R. Barbieri, D. V. Nanopoulos, G. Morchio and F. Strocchi, Phys. Lett. B 90 (1980), 91[CrossRef].
    R. N. Mohapatra and G. Senjanovic, Phys. Rev. Lett. 44 (1980), 912[APS].
    M. Magg and C. Wetterich, Phys. Lett. B 94 (1980), 61[CrossRef].
    J. Schechter and J. W. F. Valle, Phys. Rev. D 22 (1980), 2227[APS].
    T. P. Cheng and L. F. Li, Phys. Rev. D 22 (1980), 2860[APS].
    G. Lazarides, Q. Shafi and C. Wetterich, Nucl. Phys. B 181 (1981), 287[CrossRef].
    R. N. Mohapatra and G. Senjanovic, Phys. Rev. D 23 (1981), 165[APS].
  11. R. Foot, H. Lew, X. G. He and G. C. Joshi, Z. Phys. C 44 (1989), 441.
    E. Ma, Phys. Rev. Lett. 81 (1998), 1171[APS].
  12. For a thorough review of the three types of seesaw mechanism, see
    A. Strumia and F. Vissani, hep-ph/0606054[e-print arXiv].
  13. F. Borzumati and A. Masiero, Phys. Rev. Lett. 57 (1986), 961[APS].
  14. M. Dine, Y. Nir and Y. Shirman, Phys. Rev. D 55 (1997), 1501[APS].
    G. R. Dvali and M. A. Shifman, Phys. Lett. B 399 (1997), 60[CrossRef].
  15. R. Barbieri, S. Ferrara and C. A. Savoy, Phys. Lett. B 119 (1982), 343[CrossRef].
  16. L. J. Hall, J. D. Lykken and S. Weinberg, Phys. Rev. D 27 (1983), 2359[APS].
  17. S. Baek, T. Goto, Y. Okada and K. I. Okumura, Phys. Rev. D 63 (2001), 051701[APS].
  18. T. Moroi, J. High Energy Phys. 03 (2000), 019[CrossRef]; Phys. Lett. B 493 (2000), 366[CrossRef].
  19. S. Baek, T. Goto, Y. Okada and K. I. Okumura, Phys. Rev. D 64 (2001), 095001[APS].
  20. N. Akama, Y. Kiyo, S. Komine and T. Moroi, Phys. Rev. D 64 (2001), 095012[APS].
    R. Harnik, D. T. Larson, H. Murayama and A. Pierce, Phys. Rev. D 69 (2004), 094024[APS].
    J. Hisano and Y. Shimizu, Phys. Lett. B 565 (2003), 183[CrossRef]; Phys. Lett. B 581 (2004), 224[CrossRef].
    M. Ciuchini, A. Masiero, L. Silvestrini, S. K. Vempati and O. Vives, Phys. Rev. Lett. 92 (2004), 071801[APS].
    D. T. Larson, H. Murayama and G. Perez, J. High Energy Phys. 07 (2005), 057[CrossRef].
  21. K. Cheung, S. K. Kang, C. S. Kim and J. Lee, Phys. Lett. B 652 (2007), 319[CrossRef].
    M. Ciuchini, A. Masiero, P. Paradisi, L. Silvestrini, S. K. Vempati and O. Vives, Nucl. Phys. B 783 (2007), 112[CrossRef].
    L. Calibbi, Y. Mambrini and S. K. Vempati, J. High Energy Phys. 09 (2007), 081[CrossRef].
    J. K. Parry and H. H. Zhang, Nucl. Phys. B 802 (2008), 63[CrossRef].
    T. Goto, Y. Okada, T. Shindou and M. Tanaka, Phys. Rev. D 77 (2008), 095010[APS].
    B. Dutta and Y. Mimura, Phys. Rev. D 78 (2008), 071702[APS]; Phys. Lett. B 677 (2009), 164[CrossRef].
  22. J. H. Park, arXiv:0710.4529[e-print arXiv]; arXiv:0809.3004[e-print arXiv]
    J. H. Park and M. Yamaguchi, Phys. Lett. B 670 (2009), 356[CrossRef].
    P. Ko and J. H. Park, Phys. Rev. D 80 (2009), 035019[APS].
    P. Ko, J. H. Park and M. Yamaguchi, J. High Energy Phys. 11 (2008), 051[CrossRef].
  23. A. Rossi, Phys. Rev. D 66 (2002), 075003[APS].
  24. F. R. Joaquim and A. Rossi, Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 181801[APS]; Nucl. Phys. B 765 (2007), 71[CrossRef].
  25. R. N. Mohapatra, N. Okada and H. B. Yu, Phys. Rev. D 78 (2008), 075011[APS].
  26. For the relevance of sQFVs in the right–right down-squark sector for ΔMS, see for example:
    P. Ball, S. Khalil and E. Kou, Phys. Rev. D 69 (2004), 115011[APS].
  27. V. M. Abazov et al. (D0 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 021802[APS].
    A. Abulencia et al. (CDF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 062003[APS]; Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 242003[APS].
  28. A. Lenz and U. Nierste, J. High Energy Phys. 06 (2007), 072[CrossRef].
  29. R. Fleischer, arXiv:0802.2882[e-print arXiv].
  30. V. M. Abazov et al. (D0 Collaboration), Phys. Rev. Lett. 98 (2007), 121801[APS]; Phys. Rev. Lett. 101 (2008), 241801[APS].
    T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 100 (2008), 161802[APS].
  31. M. Bona et al. (UTfit Collaboration), arXiv:0909.5065[e-print arXiv].
  32. E. Barberio et al. (Heavy Flavour Averaging Group), arXiv:0808.1297[e-print arXiv].
  33. CDF/D0 ΔΓs, βS Combination Working Group, CDF/PHYS/BOTTOM/CDFR/9787 (D0 Note 5928-CONF)
  34. N. Sakai and T. Yanagida, Nucl. Phys. B 197 (1982), 533[CrossRef].
    S. Weinberg, Phys. Rev. D 26 (1982), 287[APS].
    S. Dimopoulos, S. Raby and F. Wilczek, Phys. Lett. B 112 (1982), 133[CrossRef].
  35. P. H. Frampton, S. Nandi and J. J. G. Scanio, Phys. Lett. B 85 (1979), 225[CrossRef].
    H. Georgi and C. Jarlskog, Phys. Lett. B 86 (1979), 297[CrossRef].
  36. A. Masiero, D. V. Nanopoulos, K. Tamvakis and T. Yanagida, Phys. Lett. B 115 (1982), 380[CrossRef].
    B. Grinstein, Nucl. Phys. B 206 (1982), 387[CrossRef].
  37. G. Altarelli, F. Feruglio and I. Masina, J. High Energy Phys. 11 (2000), 040[CrossRef].
    P. Fileviez Perez, Phys. Rev. D 76 (2007), 071701[APS].
  38. N. Arkani-Hamed, H. C. Cheng and L. J. Hall, Phys. Rev. D 53 (1996), 413[APS].
  39. J. Hisano, D. Nomura, Y. Okada, Y. Shimizu and M. Tanaka, Phys. Rev. D 58 (1998), 116010[APS].
  40. S. Trine, S. Westhoff and S. Wiesenfeldt, J. High Energy Phys. 08 (2009), 002[CrossRef].
  41. Z. Berezhiani, Z. Tavartkiladze and M. Vysotsky, hep-ph/9809301[e-print arXiv].
  42. B. Bajc, P. Fileviez Perez and G. Senjanovic, Phys. Rev. D 66 (2002), 075005[APS]; hep-ph/0210374[e-print arXiv].
  43. D. Emmanuel-Costa and S. Wiesenfeldt, Nucl. Phys. B 661 (2003), 62.
  44. For an update of the experimental results on proton decay rates, see for example
    M. Shiozawa, talk at SUSY08, Seoul, Jun. 16–21, 2008.
  45. Y. Kawamura, H. Murayama and M. Yamaguchi, Phys. Rev. D 51 (1995), 1337[APS].
  46. F. Borzumati, S. Mishima and T. Yamashita, arXiv:0705.2664[e-print arXiv].
  47. See also: F. Borzumati and T. Yamashita, arXiv:0910.0372[e-print arXiv].
  48. S. Dimopoulos, S. Raby and F. Wilczek, Phys. Rev. D 24 (1981), 1681[APS].
    S. Dimopoulos and H. Georgi, Nucl. Phys. B 193 (1981), 150[CrossRef].
    N. Sakai, Z. Phys. C 11 (1981), 153.
  49. H. Georgi and S. L. Glashow, Phys. Rev. Lett. 32 (1974), 438[APS].
  50. J. R. Ellis and M. K. Gaillard, Phys. Lett. B 88 (1979), 315[CrossRef].
  51. Z. Berezhiani and Z. Tavartkiladze, Phys. Lett. B 396 (1997), 150[CrossRef].
  52. E. Witten, Phys. Lett. B 105 (1981), 267[CrossRef].
    H. Georgi, Phys. Lett. B 108 (1982), 283[CrossRef].
    A. Sen, Phys. Lett. B 148 (1984), 65[CrossRef].
    N. Maekawa and T. Yamashita, Phys. Rev. D 68 (2003), 055001[APS].
  53. S. M. Barr, Phys. Lett. B 112 (1982), 219[CrossRef].
    N. Maekawa and T. Yamashita, Phys. Lett. B 567 (2003), 330[CrossRef].
  54. S. Dimopoulos and F. Wilczek, Print-81-0600 (SANTA BARBARA), NSF-ITP-82-07.
    K. S. Babu and S. M. Barr, Phys. Rev. D 48 (1993), 5354[APS].
    S. M. Barr and S. Raby, Phys. Rev. Lett. 79 (1997), 4748[APS].
    N. Maekawa, Prog. Theor. Phys. 106 (2001), 401[PTP].
    N. Maekawa and T. Yamashita, Prog. Theor. Phys. 107 (2002), 1201[PTP]; Prog. Theor. Phys. 110 (2003), 93[PTP].
  55. K. Inoue, A. Kakuto and H. Takano, Prog. Theor. Phys. 75 (1986), 664[PTP].
  56. Y. Kawamura, Prog. Theor. Phys. 103 (2000), 613[PTP]; Prog. Theor. Phys. 105 (2001), 691[PTP]; Prog. Theor. Phys. 105 (2001), 999[PTP].
  57. J. Ellis, A. Mustafayev and K. A. Olive, arXiv:1004.5399[e-print arXiv].
  58. J. A. Casas and A. Ibarra, Nucl. Phys. B 618 (2001), 171[CrossRef].
  59. A. Arvanitaki, S. Dimopoulos, S. Dubovsky, P. W. Graham, R. Harnik and S. Rajendran, Phys. Rev. D 79 (2009), 105022[APS]; Phys. Rev. D 80 (2009), 055011[APS].
  60. T. Goto and T. Nihei, Phys. Rev. D 59 (1999), 115009[APS].
  61. H. Murayama and A. Pierce, Phys. Rev. D 65 (2002), 055009[APS].
  62. L. J. Hall, V. A. Kostelecky and S. Raby, Nucl. Phys. B 267 (1986), 415[CrossRef].
    R. Barbieri, L. J. Hall and A. Strumia, Nucl. Phys. B 445 (1995), 219[CrossRef].
  63. S. P. Martin, hep-ph/9709356[e-print arXiv].
  64. N. K. Falck, Z. Phys. C 30 (1986), 247.
  65. Y. Yamada, Phys. Rev. Lett. 72 (1994), 25[APS]; Phys. Rev. D 50 (1994), 3537[APS].
  66. S. P. Martin and M. T. Vaughn, Phys. Rev. D 50 (1994), 2282 [APS][ Errata; 78 (2008), 039903[APS]].
    I. Jack, D. R. T. Jones, S. P. Martin, M. T. Vaughn and Y. Yamada, Phys. Rev. D 50 (1994), 5481[APS].
  67. R. Slansky, Phys. Rep. 79 (1981), 1[CrossRef].
  68. Y. Cui, Phys. Rev. D 74 (2006), 075010[APS].
  69. G. F. Giudice and R. Rattazzi, Nucl. Phys. B 511 (1998), 25[CrossRef].
    N. Arkani-Hamed, G. F. Giudice, M. A. Luty and R. Rattazzi, Phys. Rev. D 58 (1998), 115005[APS].