[論文レビュー] R-parity Conserving Minimal SUSY $B-L$ Model

Nobuchika Okada, Nathan Papapietro|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、最小限のR対称性保存型超対称性U(1)$_{B-L}$拡張を提案する。ここで、1つの右手型ニュートリノスーパーフィールド（Φ）はR対称性が偶数であり、そのスカラー成分が、高エネルギーでの量子異常除去によるローレンツ群の走査によって生成される負の質量平方項によって、放射的U(1)$_{B-L}$対称性の破れを引き起こす。このモデルは、1つの質量ゼロ状態を持つディラックニュートリノを生成し、B-LゲージボソンとΦのフェルミオン成分の混合から生じる新しいダークマター候補を導入する。一方、Z′ボソンの非可視崩壊幅は、LHCでディラック型とメジャナ型右手型ニュートリノを区別可能である。

ABSTRACT

We propose a simple gauged U(1)$_{B-L}$ extension of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM), where R-parity is conserved as usual in the MSSM. The global $B-L$ (baryon number minus lepton number) symmetry in the MSSM is gauged and three MSSM gauge-singlet chiral multiplets with a unit $B-L$ charge are introduced, ensuring the model free from gauge and gravitational anomalies. We assign an odd R-parity for two of the new chiral multiplets and hence they are identified with the right-handed neutrino superfields, while an even R-parity is assigned to the other one ($Φ$). The scalar component of $Φ$ plays the role of a Higgs field to break the U(1)$_{B-L}$ symmetry through its negative mass squared, which is radiatively generated by the renormalization group running of soft supersymmetry (SUSY) breaking parameters from a high energy. This radiative U(1)$_{B-L}$ symmetry breaking leads to its breaking scale being at the TeV naturally. Because of our novel R-parity assignment, three light neutrinos are Dirac particles with one massless state. Since R-parity is conserved, the lightest neutralino is a prime candidate of the dark matter as usual. In our model, the lightest eigenstate of the mixture of the $B-L$ gaugino and the fermionic component of $Φ$ appears as a new dark matter candidate. We investigate phenomenology of this dark matter particle. We also discuss collider phenomenology of our model. In particular, the $B-L$ gauge boson ($Z'$), once discovered at the Large Hadron Collider, can be a probe to determine the number of (right-handed) Dirac neutrinos with its invisible decay width, in sharp contrast with the conventional $B-L$ extension of the SM or MSSM where the right-handed neutrinos are heavy Majorana particles and decay to the SM leptons.

研究の動機と目的

• R対称性保存型で、異常自由なSUSY拡張のMSSMを構築すること。
• R対称性が偶数の右手型スネュートリノ（Φ）のスカラー成分の軟質量平方項が、高エネルギーでのローレンツ群の走査によって自然に負の値をとることで、自然なTeVスケールでのU(1)$_{B-L}$対称性破れを実現すること。
• 3つの右手型ニュートリノスーパーフィールドのうち、2つに奇数R対称性を割り当てることで、1つの質量ゼロ状態を持つディラックニュートリノを実現すること。
• B-LゲージボソンとΦのフェルミオン成分の混合から生じる、最軽い中性ノーマル状態とは異なる新しいダークマター候補を同定すること。
• 特に、Z′ボソンの非可視崩壊幅が、軽いニュートリノのディラック性を検出するためのコライダー・フェノメノロジーを検討すること。

提案手法

• MSSMに3つの右手型ニュートリノチャーミカルスーパーフィールドを導入し、1つ（Φ）にR対称性を偶数、残り2つに奇数を割り当てる。
• Φのスカラー成分をU(1)$_{B-L}$対称性の破れのヒッグス場として用い、その質量平方項が、軟SUSY破れパラメータのローレンツ群の走査によって自然に負の値をとることを保証する。
• 異常自由性を確保するため、B-L電荷が1のチャーミカル multipletを正確に3つ含め、ゲージおよび重力異常キャンセリングを維持する。
• スーパーポテンシャルを構築し、Φがリーマンダルヤーコッテル項によってリーマンダルダブルレットに結合しないようにし、メジャナ質量項を防ぎ、ディラックニュートリノ質量を保証する。
• ローレンツ群の走査解析を実施し、Φのスカラー成分の負の質量平方項が、高エネルギーでの軟パラメータの走査から自然に生じることを示す。
• 最軽いR対称性奇数状態（χℓ）の残りの密度を計算し、Z′ボソンのsチャネル共鳴状態が、正しいダークマター残り密度を自然に再現できることを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然なTeVスケールでのU(1)$_{B-L}$対称性破れを実現し、別個のB-Lヒッグス場を導入せず、異常自由かつR対称性保存型SUSY B-Lモデルを最小限に構築可能か？
• RQ2 1つの右手型ニュートリノスーパーフィールドにR対称性を偶数に割り当てると、ニュートリノ質量スペクトルと軽いニュートリノのディラック性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 B-LゲージボソンとR対称性が偶数の右手型ニュートリノのフェルミオン成分の混合から生じる新しいダークマター候補のフェノメノロジカルなシグナルは何か？
• RQ4 このモデルにおいて、LHCでのZ′ボソンの非可視崩壊幅が、ディラック型とメジャナ型右手型ニュートリノを区別可能か？
• RQ5 放射的U(1)$_{B-L}$対称性破れ機構は、軟SUSY破れパラメータとその走査にどのように依存するか？

主な発見

• R対称性が偶数の右手型ニュートリノスーパーフィールド（Φ）のスカラー成分が、ローレンツ群の走査によって負の質量平方項を生成し、自然にTeVスケールでU(1)$_{B-L}$対称性が破れる。
• メジャナ質量項が存在せず、2つのディラックヤーコッテル結合のみであるため、3つの軽いニュートリノがディラック粒子として生成され、そのうち1つは質量ゼロ状態を持つ。
• 新しいダークマター候補が、B-LゲージボソンとΦのフェルミオン成分の混合から成る最軽いR対称性奇数状態（χℓ）として出現する。その残り密度は、Z′ボソンのsチャネル共鳴状態によって自然に再現可能であり、その質量がZ′ボソン質量の半分に近い場合に成立する。
• Z′ボソンの非可視崩壊幅は、軽い右手型ニュートリノの数に敏感である。N(νR)=2の場合、N(νR)=0の場合に比べて全幅が12%大きい。これは、1000 fb⁻¹の高流量LHCで区別可能である。
• mZ′=3.5 TeV、gBL=0.25の場合、Z′質量の±100 GeVのインバリアント質量ウィンドウ内で、N(νR)=2では892件の信号イベント、N(νR)=0では1049件の信号イベントが観測可能であり、4–5σの有意差が得られる。
• 本モデルは、Z′ボソンの非可視崩壊幅の精密測定によって、LHCでディラックニュートリノを新たな手段で探査可能である。これは、従来のB-Lモデルとは対照的であり、その中で右手型ニュートリノは重いメジャナ粒子である。