[論文レビュー] Does Supersymmetry Require Two Higgs Doublets?

Masahiro Ibe, Arvind Rajaraman+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ゲージ異常を相殺するために新しい電弱荷重をもつフェルミオン状態を導入することで、$H_d$ ではなく $H_u$ のみを含む一重のヒッグスダブルレットを有する低エネルギー超対称モデルのクラスを提案する。このモデルは、$H_u$ を用いた高次元オペレーターによるダウン型フェルミオン質量の生成を可能にし、$μ$-問題を回避するとともに、新しいダークマターの実験的特徴をもたらす。UV完備化が可能であり、新しい色荷重または高電荷状態を有する粒子による特徴的なLHCシグネチャを有する。

ABSTRACT

We discuss a new class of low energy supersymmetric models in which the Higgs sector includes a single doublet, for example H_u, but not H_d. Chiral gauge anomalies are canceled against new electroweak-charged states. We discuss the main challenges in building such models, and present several models where these issues are addressed. The resulting phenomenology can be distinguished from that of the MSSM in a number of ways, most notably in physics related to down-type quarks and charged leptons. As a first step toward a chiral Higgs sector, we discuss the scenario of an inert H_d doublet. We show that a UV completion of such model naturally includes dark matter with novel, flavorful couplings to SM quarks.

研究の動機と目的

• MSSMにおける標準的なヒッグスダブルレットのペア ($H_u$, $H_d$) の代わりに、$H_u$ のみを必要とする、異常フリーで現象論的に妥当な超対称モデルを構築すること。
• $H_d$ が存在しない状況で、超対称性の破壊に起因する高次元オペレーターを用いて、ダウンクォークおよび電荷レプトンの質量を生成する挑戦に応えること。
• 新しいチャーミカル物質を用いた有効場理論およびUV完備モデルを構築することで、チャーミカルヒッグス系の実現可能性を検討すること。
• 新しい色荷重または高電荷状態の粒子から生じる、特徴的な実験的シグネチャ（例：強化されたヒッグス生成、新規のLHC信号）を同定すること。
• UV完備フレームワークにおいて、SMクォークと新しい結合をもつフレーバーダークマターの可能性を調査すること。

提案手法

• $H_d$ がSMフェルミオンと結合しない（もしくは存在しない）インert状態であるか、あるいは完全に欠落している一重のヒッグスダブルレット $H_u$ のみを有するチャーミカルヒッグス系を導入し、$μ$-問題を回避する。
• 新しい電弱荷重をもつチャーミカル超スフィールドを導入し、それらに大きな質量を与えることで、チャーミカルゲージ異常をキャンセルする。
• 超対称性の破壊に起因する高次元オペレーターを用いて、$H_u$、$F_X$（超対称性の破壊）およびカットオフスケール $M$ を含む項 $\int d^4\theta \frac{X^\dagger}{M^2} H_u^\dagger Q \bar{d}$ を介してダウン型フェルミオン質量を生成する。
• 追加のチャーミカル超スフィールド $T$、$D$、$\rho$、$\phi$、$N$ を用いて、ヤコビアンおよび非ホロモーレック項を通じて異常キャンセリングと質量生成を実現するUV完備モデルを構築する。
• 超ポテンシャルおよびケーラー項を用いて、新しい粒子およびヒッグシノの質量項を導出し、超対称性およびゲージ不変性と整合することを保証する。
• 得られたスペクトルおよび現象論的性質（$S$ および $T$ パラメータ、ヒッグス生成断面積、新しい色荷重または高電荷状態からのコライダー・シグネチャを含む）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $H_d$ が存在しない一重のヒッグスダブルレット ($H_u$) を有する超対称モデルが、異常フリーかつ現象論的に妥当であるか。
• RQ2 $H_d$ ダブルレットが存在しない状況で、ゲージ不変性および超対称性を保ちつつ、ダウンクォークおよび電荷レプトンの質量をどのように生成できるか。
• RQ3 SMフェルミオンと結合しないがヒッグシノと結合するインert $H_d$ ダブルレットが、もたらす影響は何か。
• RQ4 一重の $H_u$ ダブルレットを有する完全なチャーミカルヒッグス系を構築可能か。そのために必要な新しいチャーミカル場は何か。
• RQ5 このようなチャーミカルヒッグスモデルから生じる特徴的なコライダー・シグネチャ（例：強化されたヒッグス生成、レア崩壊など）は何か。

主な発見

• ゲージ異常は、大きな質量を与えた新しいチャーミカル超スフィールドを導入することでキャンセルされ、$H_d$ の欠落にもかかわらずモデルが現象論的に妥当であることが保証される。
• ダウン型フェルミオン質量は、$H_u$、$F_X$、カットオフスケール $M$ を含む高次元オペレーターを介して生成され、質量行列 $m_d = y'_{d} v_u \frac{F_X}{M^2} + Y_d v_d$ を介して、摂動論的問題が生じない大 $\tan\beta$ を実現可能とする。
• インテンス $H_d$ のシナリオでは、ヒッグスの $b\bar{b}$ 衰え率はMSSMと比較して $1/\tan^2\beta$ に抑制され、$H_u$ は標準模型ヒッグスと同様に振る舞う。
• ミラー第4世代または複数のヒッグスダブルレット（例：3つまたは4つ）を有するUV完備モデルが構築され、二重、三重、四重の電荷状態を持つ粒子が存在する。
• ミラー第4世代を有するモデルではヒッグス生成断面積が顕著に増加し、LHCでテスト可能であり、$m_h < 600~{\rm GeV}$ はすでにCMSが95%信頼水準で除外している。
• 新しい色荷重または高電荷状態のチャーミカル状態を有するモデルは、MSSMや他の拡張モデルとは区別可能な特徴的なLHCシグネチャを予測する。