[論文レビュー] Implications of Supersymmetry Breaking with a Little Hierarchy between Gauginos and Scalars

James D. Wells|ArXiv.org|Jun 13, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 98

ひとこと要約

この論文は、ゲージノが弱い相互作用のスケール（約1 TeV）にあり、スカラがはるかに重い（数十TeV）という「小さな階層（little hierarchy）」を持つ超対称モデルを提案する。このモデルにより、フェルミオンのフレーバー、CP対称性の破れ、および陽子崩壊の問題が解決される。ウィーノが最軽い超対称粒子（LSP）となり、効率的な対消滅を経て、銀河のハローからの単色光子線が検出可能になる。一方、直接的暗黒物質探査の制約は回避され、ゲージ・ユカワ統一性も保たれる。

ABSTRACT

From a theoretical point of view it is not hard to imagine gaugino masses being much lighter than scalar masses. The dominant contributions to gaugino masses are then their anomaly-mediated values. Given current lower bounds on gauginos, which are near the W-mass scale, considering a little hierarchy between weak-scale gauginos and much heavier scalars requires suspending normal intuition on finetuning and naturalness of the Higgs potential. Nevertheless, tantalizing perks come from the hypothesis: lessened flavor and CP violation problems, more compatibility with gauge coupling unification and third generation Yukawa unification, suppressed dimension-five proton decay operators, and no problems satisfying the current Higgs mass constraint for any value of tan(beta) consistent with the top and bottom Yukawa couplings remaining finite up to the grand unified scale. The Tevatron has little chance of finding any evidence of this theory given current constraints. The LHC does well looking for pair production of gluinos which three-body decay into potentially spectacular final states. Dark matter relic abundance can be cosmologically interesting, but table-top experiments will not see LSPs scattering off nucleons. On the other hand, experiments looking for monochromatic photons from LSP annihilations in the galactic halo may find them.

研究の動機と目的

• 低エネルギーSUSYにおける持続的なフレーバー、CP対称性の破れ、および陽子崩壊の問題を、ゲージノとスカラの質量に階層を導入することで解決すること。
• スカラのスペクトルが重い（数十TeV）場合でも、ゲージ統一およびユカワ統一といったSUSYの主な成功事例が保たれるかを検討すること。
• 特に間接的検出の可能性に注目し、高スケールのスカラ状況下におけるウィーノに類するLSP暗黒物質の実現可能性を調査すること。
• グルーコネ対生成と3体崩壊を介したLHCによるこのスペクトルの探査可能性を評価すること。
• この階層下での宇宙論的整合性、特に残余密度およびニュートリノの崩壊効果を評価すること。

提案手法

• ゲージノ質量の主要な寄与を異常媒長によるゲージノ質量（AMSB）として扱い、弱い相互作用スケールで軽いゲージノが得られるようにする。
• スカラ質量が非単位表現の超対称性破れとF項による破れを通じて生成されると仮定し、ゲージノよりもはるかに重いスカラが得られるようにする。
• 高スカラ質量仮定下でヒッグス粒子質量の上限、陽子崩壊項、電気双極子モーメントを計算するために有効場理論的手法を適用する。
• ウィーノLSPの光子およびZγへの対消滅断面積を計算し、100 GeVから1 TeVの質量範囲で一定の断面積(3–5)×10⁻²⁷ cm³s⁻¹が得られることを示す。
• ゲージボソンを通じたウィーノ対消滅による残余密度を評価し、重スカラが存在しても宇宙論的制約内に収まることを示す。
• GLASTおよびチェレンコフ検出器を用いたウィーノ対消滅による単色光子線の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージノとスカラの間の小さな階層が、再び微調整問題を引き起こさずに、超対称性におけるフレーバーおよびCP対称性の破れ問題を解決できるか？
• RQ2 スカラが重い（数十TeV）場合でも、特に大きなtanβに対して、MSSMにおけるゲージ統一およびユカワ統一が保たれるか？
• RQ3 直接検出実験では検出不能であるにもかかわらず、ウィーノに類するLSP暗黒物質が宇宙論的に整合的であり、間接的検出が可能か？
• RQ4 スカラ質量が5 TeVを超える場合、Yukawa結合がGUTスケールまで摂動的である限り、ヒッグス粒子質量制約にどのような影響を与えるか？
• RQ5 グルーコネ対生成と3体崩壊を介したLHCによるこのスペクトルの観測が可能か？

主な発見

• ウィーノLSPの2光子への対消滅断面積は、100 GeVから1 TeVの質量範囲で一定の値(3–5)×10⁻²⁷ cm³s⁻¹を示し、検出可能な単色光子線を生成可能である。
• GLASTおよび次世代のチェレンコフ検出器では、断面積が3×10⁻²⁷ cm³s⁻¹を超える場合、ウィーノのγγおよびZγへの対消滅による単色光子線が観測可能である可能性がある。
• LSP-核子散乱の直接検出は、LSPが純粋なウィーノであり、重スフェルミオンが存在するため、両方の散乱機構（共鳴的およびスピン依存的）が強く抑制され、実質的に不可能である。
• 高スクォーク質量のおかげで、次元5の陽子崩壊項が強く抑制され、GUTモデルにおける主要な制約が軽減される。
• スカラ質量が5 TeVを超える場合でも、Yukawa結合がGUTスケールまで摂動的である限り、すべてのtanβ値においてヒッグス粒子質量が114 GeVを超える。
• 冷たい暗黒物質の非熱的生成源として、freeze-out後のニュートリノ崩壊が自然に実現可能であり、高スケールSUSYにおけるニュートリノ/中間子問題を解決する。