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Exploring the Supersymmetric Grand Unified Theories with Gauge Mediation at the Future Proton-Proton Colliders and Hyper-Kamiokande Experiment

本文表明，具有规范媒介的超对称大统一理论可以通过海力卡米（Hyper-Kamiokande）实验中的质子衰变测量来探测较低的大统一标度，并通过未来 100 TeV 质子-质子对撞机中对重胶子和夸克的研究来探测较高的大统一标度，从而为媒介标度和超对称破缺机制提供见解。

原作者： Waqas Ahmed, Tianjun Li, Shabbar Raza

发布于 2026-10-06

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CC BY 4.0

原作者： Waqas Ahmed, Tianjun Li, Shabbar Raza

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

我们周围看到的宇宙是建立在物理学家数十年来试图理解的粒子和力的基础之上的。理解的核心是标准模型，这是一个描述物质如何行为的成功理论，但它仍留下了一些深刻的未解之谜。其中最持久的谜题之一是，为什么在低能状态下表现不同的自然力，可能会在宇宙诞生之初统一成一种单一的力量。这种被称为“大统一”（Grand Unification）的想法表明，在极高的能量下，我们今天观察到的不同力量会合并为一。为了使这一图景更加完整，许多物理学家转向了一个叫做“超对称”（supersymmetry）的概念。该理论提出，每种已知粒子都有一个更重的、不可见的伙伴。这些伙伴可以解决物理学中深层的数学问题，并为暗物质（一种维持星系结构的不可见物质）提供候选者。然而，尽管经过多年的寻找，从未有人发现过这些伙伴粒子，这让科学家们怀疑它们究竟是由于太重而无法被现有技术观测到，还是以一种我们尚未想象到的形式存在着。

一个研究小组通过将大统一思想、超对称以及一种关于这些重质量伙伴如何获得质量的具体机制相结合，对这一谜题进行了全新的审视。他们专注于一种被称为“规范媒介”（gauge mediation）的情景，在这种情景下，这些新粒子的质量是通过基本自然力进行传递的，就像信息通过人群传递链条一样。研究人员提出了一个关键问题：如果这些粒子存在，我们应该去哪里寻找它们？他们计算出，答案完全取决于自然力统一时的能量标度。通过运行详细的计算机模拟，模拟这些粒子在从宇宙最初时刻到现今的演化过程中的行为，他们描绘出了两种截然不同的可能性。他们的工作表明，我们不需要在寻找这些粒子的路径上做二选一的抉择——即是在一台巨大的新型粒子对撞机中寻找，还是在一个巨大的地下水箱中寻找；根据涉及的具体能量标度，宇宙可能会为我们在两个地方都提供发现它们的方法。

团队的模拟揭示了一个基于统一能量标度的清晰分界线。如果这种统一发生在特定的阈值能量之下，该理论预测负责统一的重规范玻色子将足够轻，以至于能在下一代地下实验可探测的时间范围内导致质子衰变。具体而言，如果统一能量小于或等于 $0.84 \times 10^{16}$ GeV，质子的寿命大约为 $5 \times 10^{34}$ 年。这是一个即将投入使用的 Hyper-Kamiokande 实验（目前正在日本筹备中的大型探测器）旨在探测的时间尺度。在这种情景下，实验将寻找质子——这种构成每个原子的稳定构建模块——自发分解为正电子和派子的罕见瞬间。发现这种衰变将是对该理论的直接证实，证明自然力曾经是统一的。

另一方面，如果统一能量高于该阈值，故事则会发生彻底的变化。在这一更高能量的机制下，即 $M_{GUT} \ge 0.84 \times 10^{16}$ GeV，最轻的中性微子是次轻超对称粒子（NLSP），随后会衰变为引力子。研究人员发现，在这种情况下，夸克和胶子的重质量伙伴（即夸克子和胶子子）的质量将处于未来粒子加速器的探测范围之内。他们的计算显示，胶子的伙伴——胶子子（gluino）的质量不会超过 8.64 TeV，而前两代夸克的伙伴——夸克子（squarks）的质量上限为 11.82 TeV。这些数字至关重要，因为它们完全处于诸如未来环形对撞机（FCC）或超质子质子对撞机（SPPC）等拟建的 100 TeV 质子-质子对撞机的发现潜力范围内。与寻找单次罕见事件的质子衰变搜索不同，这些机器将以如此强大的力量碰撞质子，从而直接创造出这些重粒子，让科学家能够观察它们的衰变模式并测量其性质。

该研究还探讨了各种粒子质量之间的关系，揭示了一种取决于理论底层参数的结构化模式。研究人员发现，颜色粒子（如胶子子和夸克子）的质量与超对称对称性破缺的能量标度紧密相关。当统一标度较高时，整个新粒子的能谱会向低质量端移动，使其更容易在对撞机中产生。相反，当统一标度较低时，粒子会变得更重，从而超出对撞机的探测范围，但会将质子衰变信号带入地下探测器的探测范围。这创造了一个互补的图景，即两种实验方法覆盖了理论景观的不同部分。团队还研究了其他粒子的行为，例如滑夸克（sleptons）和希格斯玻色子，发现它们的质量同样受到相同规则的约束。例如，轻顶夸克子（stop quark，顶夸克的伙伴）在高能情景下的质量上限约为 11.66 TeV，而伪标量希格斯玻色子在同一区域内的质量上限约为 10 TeV。

这项工作的特别意义在于，它为下一代物理实验提供了路线图。科学家不再是盲目搜索，而是现在拥有了一套明确的目标。如果 Hyper-Kamiokande 实验探测到了质子衰变，它将证实统一标度较低且规范媒介机制正在发挥作用。如果该信号没有出现，研究重点可以立即转向 100 TeV 对撞机，届时寻找研究人员所确定的特定质量限制范围内的胶子子和夸克子将成为首要任务。发现任何这些粒子都将是向前迈出的里程碑式的一步，它将让我们窥见发送对称性破缺信息的媒介标度，以及对称性实际发生破缺的有效标度。它还将允许物理学家追踪力在宇宙历史中的演化，确认赋予粒子质量的软项随能量下降是如何变化的。最终，这项研究架起了高能理论的无形世界与可观测实验现实之间的桥梁，表明无论答案是隐藏在寂静的深层地下水箱中，还是在未来对撞机的轰鸣声中，宇宙都已准备好被理解。

技术摘要：探索未来对撞机与 Hyper-Kamiokande 中的规范介导超对称大统一理论

问题陈述
尽管 LHC 第一至第三阶段进行了广泛的数据收集，但尚未发现标准模型（SM）粒子的超对称（SUSY）伴子，这导致了胶子 $\tilde{g}$ 、夸克 $\tilde{q}$ 和顶夸克 $\tilde{t}$ 的质量下限被大幅提高。这种缺失暗示了潜在的电弱精细调节（EWFT）问题。然而，作者指出，虽然直接发现轻质量超对称粒子可能具有挑战性，但更广泛的具有规范介导超对称破缺（GMSB）的超对称大统一理论（GUT）框架仍然是可测试的。本文探讨的核心问题是：在“大沙漠”假设（即在电弱标度与大统一标度之间不存在新物理）下，这些特定的 GUT 情景是否可以在未来的高能设施（特别是 100 TeV 质子-质子对撞机 FCC-hh 和 SppC）以及 Hyper-Kamiokande 实验中得到探测。

方法论
作者在最小 GMSB 框架内进行了全面的数值分析，利用 SARAF 4.1.4 软件包生成用于谱计算的 SPheno 4.0.4 模块。研究重点关注由以下参数定义的参数空间：

有效超对称破缺标度 ( $\Lambda$ )。
媒介标度 ( $M_{mess}$ )。
媒介多重态数量 ( $N_{mess} = 1$ ，对应于一个 $5 + \bar{5}$ SU(5) 多重态)。
$\tan\beta$ 以及 Higgsino 质量参数的符号 ( $\mu > 0$ )。

参数空间通过 $\Lambda \in [5 \times 10^5, 10^7]$ GeV， $M_{mess} \in [2\Lambda, 10^{15}]$ GeV，以及 $\tan\beta \in [2, 60]$ 进行扫描。在媒介标度生成的软参数通过重整化群方程（RGEs）演化至电弱标度。

分析施加了以下约束：

辐射电弱对称性破缺 (REWSB)。
Higgs 质量： $m_h \in [123, 127]$ GeV。
直接搜索限制： $m_{\tilde{g}} \ge 2.2$ TeV 以及其他超对称粒子的限制。
味约束： $B_s \to \mu^+\mu^-$ 、 $b \to s\gamma$ 和 $B_u \to \tau\nu_\tau$ 的分支比。
GUT 标度确定： 通过追踪规范耦合的演化来确定大统一标度 ( $M_{GUT}$ )。使用基准 CMSSM 点（ $M_{GUT} \simeq 10^{16}$ GeV）建立参考曲线。根据 $M_{GUT} \le 0.84 \times 10^{16}$ GeV 或 $M_{GUT} > 0.84 \times 10^{16}$ GeV 对点进行分类。

主要贡献与结果

质子衰变与 Hyper-Kamiokande 的探测范围：
本研究确立了一个关键阈值 $M_{GUT} \approx 0.84 \times 10^{16}$ GeV。对于 $M_{GUT} \le 0.84 \times 10^{16}$ GeV 的情况，通过重规范玻色子交换产生的维度六质子衰变（ $p \to e^+\pi^0$ ）预测的部分寿命为 $\tau \lesssim 5 \times 10^{34}$ 年。这处于 Hyper-Kamiokande 实验的预期灵敏度范围内（目标为 $\tau > 10^{35}$ 年）。因此，具有较低 $M_{GUT}$ 的 GMSB GUTs 可以通过质子衰变搜索进行直接测试。
高 $M_{GUT}$ 区域的对撞机探测能力：
对于 $M_{GUT} \ge 0.84 \times 10^{16}$ GeV 的区域，分析表明最轻中性微子 ( $\tilde{\chi}^0_1$ ) 作为次轻超对称粒子（NLSP），而引力微子（Gravitino）作为最轻超对称粒子（LSP）。在此高标度区域，发现的质量上限为：
- 胶子 ( $\tilde{g}$ ): $\le 8.64$ TeV。
- 第一、二代夸克 ( $\tilde{q}$ ): $\le 11.82$ TeV。
- 较轻的顶夸克 ( $\tilde{t}_1$ ): $\le 11.66$ TeV。
  这些质量范围完全处于未来 100 TeV 质子-质子对撞机（FCC-hh 和 SppC）的发现潜力之内，特别是涉及重味衰变的胶子衰变。
能谱相关性与 NLSP 的身份：
论文详细阐述了彩色超对称粒子、轻剩子（Sleptons）、伪标量 Higgs 以及电弱微子（Electroweakinos）的质量谱。一个关键发现是 GUT 标度与 NLSP 身份之间的相关性：
- 红色区域 ( $M_{GUT} > 0.84 \times 10^{16}$ GeV)： 参数空间倾向于中性微子 NLSP。衰变链涉及 $\tilde{\chi}^0_1 \to \gamma/Z/h + \tilde{G}$ ，产生的信号特征包括喷注 + 光子/Z/H + 缺失横向能量 ( $E_T^{miss}$ )。
- 黄色区域 ( $M_{GUT} < 0.84 \times 10^{16}$ GeV)： 虽然质子衰变是主要探测手段，但该区域中的某些解倾向于选劳 NLSP ( $\tilde{\tau}_1 \to \tau + \tilde{G}$ )，这可能产生瞬时 $\tau$ 、位移顶点或重稳定带电粒子，具体取决于超对称破缺标度。
基准点：
文中提供了两个代表性的基准点以阐明现象学。点 1（红色， $M_{G_UT} \approx 0.853 \times 10^{16}$ GeV）具有约 8.3 TeV 的胶子质量，可通过 100 TeV 对撞机中的重味衰变进行探测。点 2（黄色， $M_{GUT} \approx 0.592 \times 10^{16}$ GeV）具有更重的胶子（ $\sim 14.6$ TeV），但主要针对 Hyper-Kamiokande，尽管 100 TeV 对撞机的轻味胶子搜索也可以对其进行探测。

意义与主张
作者声称，这项工作证明了即使在当前对撞机未发现轻质量超对称粒子的情形下，探测具有规范介导的超对称 GUT 也是可行的。通过将 GUT 标度与特定的实验信号联系起来，论文认为：

Hyper-Kamiokande 实验可以通过维度六质子衰变探测 $M_{GUT} \le 0.84 \times 10^{16}$ GeV 的 GUT 标度。
未来的 100 TeV 对撞机可以通过发现质量高达 $\sim 12$ TeV 的胶子和第一代夸克，来探测 $M_{GUT} \ge 0.84 \times 10^{16}$ GeV 的 GUT 标度。
发现此类粒子将为媒介标度、有效超对称破缺标度以及软项的重整化群演化提供关键线索。

研究强调，“大沙漠”假设允许在低能谱与高能标度统一性质之间建立直接联系，使得这些未来设施成为测试 GMSB 框架的重要手段。

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