[論文レビュー] The Peccei-Quinn Axion in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model

D.J. Miller, R. Nevzorov|ArXiv.org|Sep 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、次に最小限の超対称標準模型（NMSSM）におけるPeccei-Quinn軸子を提案する。軸子は、動的なPQ対称性の破れから生じる擬スカラーボソン（偽Nambu-Goldstoneボソン）として現れる。主な結果は、真空安定性の要請により、重いHiggs粒子の質量 $ M_A $ が $ \mu \tan\beta $ に非常に近い値をとらなければならないことである。したがって、LHCで $ M_A $ が測定されれば、軸子の存在を間接的かつ支持する証拠が得られ、その境界が破られる場合にはモデルが除外されることになる。

ABSTRACT

We discuss the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) with a Peccei-Quinn (PQ) U(1) symmetry. When this symmetry is dynamically broken by the Higgs mechanism, the resulting pseudo-Nambu-Goldstone boson takes the role of an axion. Although much of the allowed parameter space for low values of the PQ scale has been ruled out, many scenarios with a PQ scale > 10^9 GeV remain untested, allowing the NMSSM PQ axion to provide a solution to the strong CP problem and be a good dark matter candidate. Unfortunately the new particle states are so decoupled that they would not be observable at future colliders, and the NMSSM would appear indistinguishable from the minimal model. However, we show that in order to maintain vacuum stability, such a model requires that the heavy Higgs boson states have masses that lie close to approximately mu tan beta. Therefore, a measurement of the Heavy Higgs boson masses at the LHC would allow one to either rule out the NMSSM PQ axion, or provide tantalizing circumstantial evidence for its existence.

研究の動機と目的

• 次に最小限の超対称標準模型（NMSSM）におけるPeccei-Quinn（PQ）軸子の可能性を検討し、強いCP問題の解決策としての妥当性を検証すること。
• 低質量の軸子に対して未解釈のまま残る $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ のPQスケールに関する天体物理学的およびコライダーの制約を評価すること。
• PQ結合が分離しているにもかかわらず、将来のコライダーでNMSSMのPQ軸子をどのように探査できるかを同定すること。
• NMSSMのHiggs系において、真空安定性の制約から間接的証拠を提供する測定可能なシグネチャを同定すること。

提案手法

• NMSSMにU(1) PQ対称性を導入し、自発的対称性の破れによって擬スカラーボソン（軸子）が生成されることを示す。
• NMSSMにおけるHiggs粒子の質量を1ループ補正で導出し、特にスカラーおよびパラスカラーモード（軸子を含む）に注目する。
• 真空安定性条件を適用し、最も軽いスカラーHiggs粒子の質量の二乗が正でなければならないという制約を導出し、$ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $ が得られる。
• トップ/ストップ系における1ループレベルでのHiggs質量および結合の解析的表現を用いて、$ M_A $ 依存性を導出する。
• 球状星団の星の冷却およびSN 1987Aからの天体的制約を適用し、PQスケール $ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ を制限する。
• LSP（ヒッグスノ）質量を $ M_{\text{LSP}} \approx \mu \cot^2\beta_s $ として評価し、非常に軽く分離していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Peccei-Quinn対称性を有するNMSSMは、天体的制約と整合的でありながら、強いCP問題の解決策としての軸子解を提供できるか？
• RQ2 PQスケール $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ の下で、NMSSMのHiggs系の真空安定性およびPQスケールに課される制約は何か？
• RQ3 PQ結合が分離しているにもかかわらず、LHCでNMSSMのPQ軸子を間接的にテストできるか？
• RQ4 重いHiggs粒子の質量 $ M_A $ と軸子スケールの間に測定可能な相関関係があるか？
• RQ5 PQ対称性の破れの下で、NMSSMにおけるHiggs系の質量および結合は、MSSMと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 最も軽いスカラーHiggs粒子の質量の二乗が正でなければならない真空安定性の要請により、1ループレベルで $ M_A \approx \mu\tan\beta \pm M_Z $ という制約が得られる。
• $ f_a \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ の下で、軸子は依然として妥当なダークマター候補であり、強いCP問題を解決するが、コライダー探索からは分離している。
• 星の冷却およびSN 1987Aからの天体的制約により、$ \langle S \rangle \gtrsim 10^9 \, \text{GeV} $ が要求され、低スケールのPQスケールは除外される。
• 最も軽いスカラーHiggs粒子の電子への結合定数は $ g_{H_1 e} \lesssim 1.3 \times 10^{-14} $ で制限され、これは $ \langle S \rangle $ の下限に相当する。
• $ \mu \approx 10^3 \, \text{GeV} $ および $ \langle S \rangle \approx 10^{11} \, \text{GeV} $ の下で、最も軽いヘリシノ（LSP）質量は約 $ M_{\text{LSP}} \approx 3 \times 10^{-6} \, \text{eV} $ となり、天体的放射による検出は不可能である。
• $ M_A $ がLHCで $ \mu\tan\beta \pm M_Z $ の範囲外に測定された場合、NMSSM PQ軸子モデルは除外され、これはテスト可能な予測を提供する。