[論文レビュー] Supersymmetry for Alp Hikers

John Ellis|ArXiv.org|Mar 13, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 53被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、電弱スケールにおける超対称性の動機づけ（自然性、ゲージ結合の統一、ヒッグス質量の階層問題など）を説明しながら、最小超対称標準模型（MSSM）の現象論的入門を提供する。スパートクル質量行列、実験的制約、LHCおよび将来の衝突型加速器における発見可能性についてもレビューする。宇宙論的および実験的データと整合するベンチマーク・シナリオを特定し、超対称性が近い将来の実験で依然として検出可能であり得ることを示している。

ABSTRACT

These lectures provide a phenomenological introduction to supersymmetry, concentrating on the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). In the first lecture, motivations are provided for thinking that supersymmetry might appear at the TeV scale, including the naturalness of the mass hierarchy, gauge unification and the probable mass of the Higgs boson. In the second lecture, simple globally supersymmetric field theories are introduced, with the emphasis on features important for model-building. Supersymmetry breaking and local supersymmetry (supergravity) are introduced in the third lecture, and the structure of sparticle mass matrices and mixing are reviewed. Finally, the available experimental and cosmological constraints on MSSM parameters are discussed and combined in the fourth lecture, and the prospects for discovering supersymmetry in future experiments are previewed.

研究の動機と目的

• 最小超対称標準模型（MSSM）に焦点を当てた、超対称性の現象論的入門を提供すること。
• ヒッグス質量の自然性、ゲージ結合の統一、階層問題といった、電圧スケールにおける超対称性の理論的動機づけを説明すること。
• スパートクル質量行列の構造、超対称性の破れ、MSSMにおける超重力のレビュー。
• MSSMパラメータに対する実験的および宇宙論的制約（特に残存ダークマター密度）を統合すること。
• LHC、線形衝突型加速器、および非加速器実験（直接的ダークマター探索、陽子崩壊検出器など）における超対称性の発見可能性を評価すること。

提案手法

• 有効場理論および一般超対称性を用いて、モデル構築に関連する特徴に注目しながら、超対称理論の構造を導入する。
• パラメータ空間の探索とMSSMパラメータの制約のためのベンチマークフレームワークとして、制約付き最小超対称標準模型（CMSSM）を適用する。
• ヒッグス質量のループ補正を分析し、階層問題を強調し、電圧スケールでの新物理の必要性を示す。
• LEP、宇宙論（残存密度）、ダークマター検出実験からの制約を組み合わせて、MSSMパラメータの妥当な領域を定義する。
• ベンチマーク・シナリオとシミュレーション・ツールを用いて、将来の加速器（LHCおよびTeVスケールの $e^+e^-$ 線形衝突型加速器）の発見能力を評価する。
• 銀河ハローおよび太陽におけるニュートリノのアンニヒレーションから生じる光子およびミューオン信号を介した間接的検出の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ超対称性は、特に電圧スケールにおいて標準模型の魅力的な拡張とされるのか？
• RQ2 LEP、残存ダークマター密度、陽子崩壊探索からの実験的制約は、MSSMの妥当なパラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ3 LHCおよび将来の線形衝突型加速器における超対称性の発見可能性はどのようであり、どのようなシナリオで失敗する可能性があるか？
• RQ4 CMSSMフレームワークにおけるベンチマーク・シナリオは、中性子の宇宙論的および実験的制約をどのように調和させるか？
• RQ5 超対称性は、陽子崩壊および宇宙環境下での間接的ダークマター検出にどのような意味を持つのか？

主な発見

• MSSMは、制約付きCMSSMフレームワークが適用される限り、現在のすべての実験的および宇宙論的制約と整合的である。
• 中性子の残存密度は入力パラメータに敏感であるが、観測範囲に自然に収まるパラメータ空間の一般的な領域が存在する。
• LHCおよびTeVスケールの線形衝突型加速器は、超対称性の発見に強く有望であるが、CMSSMパラメータ空間のすべてをカバーするには、CLICや数TeVスケールのミューオン衝突型加速器のような高エネルギー加速器が必要となる可能性がある。
• CDMS II、CRESST、GENIUSなどの直接的探索実験は、一部のベンチマーク・シナリオにおいてスピン独立散乱断面積を探索可能であるが、多くの場合、DAMAの範囲以下である。
• 銀河中心でのアンニヒレーションから生じる高エネルギー光子や、太陽のニュートリノからのミューオンを介した間接的検出は、特定のベンチマーク・シナリオで証拠を提供する可能性がある。
• 次世代のメガトンスケールの検出器を用いれば、次元6のオペレーターによる陽子崩壊は観測可能であり、$m_{GUT} \sim 10^{16}$ GeVの場合、寿命は約 $10^{35}$ 年程度である。