[論文レビュー] Supersymmetry in Elementary Particle Physics

Michael E. Peskin|ArXiv.org|Jan 13, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 46被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、電弱対称性の spontaneously broken とダークマターの問題を扱う枠組みとしての最小超対称標準模型（MSSM）を焦点として、素粒子物理学における超対称性について包括的な紹介を提供する。超対称ラグランジアンの構築、MSSM の粒子スペクトル、そしてLHCおよびILCにおけるSUSYパラメータの測定について述べ、コライダーのデータがリライク密度や散乱断面積といったダークマターの性質をどのように制約できるかを示している。

ABSTRACT

These lectures, presented at the 2006 TASI summer school, give a general introduction to supersymmetry, emphasizing its application to models of elementary particle physics at the 100 GeV energy scale. I discuss the following topics: the construction of supersymmetric Lagrangians with scalars, fermions, and gauge bosons, the structure and mass spectrum of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the measurement of the parameters of the MSSM at high-energy colliders, and the solutions that the MSSM gives to the problems of electroweak symmetry breaking and dark matter.

研究の動機と目的

• 100 GeV エネルギー領域における標準模型の有効な拡張としての超対称性の教育的導入を提供すること。
• 超空間技術を用いたスカラー場、フェルミオン場、ゲージ場の超対称ラグランジアンの形式的取り扱いを説明すること。
• MSSM の構築と分析、特にその粒子内容、グランドユニフィケーションとの関係、およびソフト破れパラメータを含むこと。
• MSSM の素粒子物理学的性質をマップすること、特に質量スペクトルとそのランゲル・グローバル方程式に従った発展を含むこと。
• LHCおよび国際線形コライダー（ILC）がMSSMパラメータを測定し、リライク密度や散乱断面積といったダークマターの性質をどのように制約できるかを示すこと。

提案手法

• 超空間形式を用いて、スカラー場、フェルミオン場、ゲージ場を含むチャイralおよびベクトル超多重項を組み込んだ超対称ラグランジアンを構築すること。
• 4次元時空における超対称性変換の不変性を保つために、R対称性および超荷生成代数を適用すること。
• 標準模型に超パートナーフィールド（ヒッグスノ、ゲージノ）を追加し、ソフト破れ項を導入することでMSSMラグランジアンを導出すること。
• ランゲル・グローバル方程式を用いて、MSSM パラメータを高エネルギーから低エネルギー スケールへと発展させ、スフェルミオン、ゲージノ、ヒッグスノの質量スペクトルを予測すること。
• LHCおよびILCにおけるコライダー観測量（偏極付き断面積、インバリアント質量分布など）をシミュレートし、SUSY 粒子の質量および結合定数を再構成すること。
• コライダーのデータと宇宙物理学的制約を組み合わせ、リライク密度（Ω_N）および中性子と陽子の散乱断面積を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超空間および超多重項構造を用いて、4次元時空における超対称性を一貫してどのように定式化できるか？
• RQ2 最小超対称標準模型（MSSM）の完全な質量スペクトルは何か？ また、ランゲル・グローバル方程式に従った発展においてどのように変化するか？
• RQ3 LHCおよびILCにおける精度の高い断面積および質量測定を通じて、MSSM パラメータ（特にソフト破れ項）をどのように測定できるか？
• RQ4 MSSM は、LEPおよびLHCのデータと整合する軽いヒッグスボソン質量を持つヒッグス機構を介して電弱対称性の spontaneously broken を説明できるか？
• RQ5 コライダーのデータが、MSSM 内の弱い力で相互作用する巨大質量粒子（WIMPs）のリライク密度および散乱断面積をどの程度まで制約できるか？

主な発見

• MSSM は、特にストップ超クォークが重い場合に、実験的制約と整合する軽いヒッグスボソン質量を持つ電弱対称性の spontaneously broken のための有効な枠組みを提供する。
• LHCおよびILCにおける測定により、超対称粒子の質量および混合角を高い精度で決定でき、これにより元のラグランジアンの再構成が可能になる。
• LHCとILCの測定を組み合わせることで、通常中性子である最軽い超対称粒子（LSP）のリライク密度を約10％の不確実性で予測できる。
• ストー・コアナンヒレーションがリライク密度を支配するモデルでは、LHCがストーを発見可能であり、500 GeVのILCがストーと中性子の質量差を10％の精度で測定可能である。
• ILCが測定する偏極付き断面積（例：σ(e⁻_R e⁺_L → ~C⁺₁ ~C⁻₁) および σ(e⁻_R e⁺_L → ~N⁰₂ ~N⁰₃)）は、MSSM パrameter空間を制約し、ダークマターの散乱断面積予測を改善する。
• コライダーのデータを用いて、中性子-陽子スピン非依存断面積や中性子対の対消滅によるガンマ線フラックスといった、重要なダークマター観測量を予測可能となり、高エネルギー物理学と宇宙物理学的ダークマター探索の間でフィードバックが可能になる。