[논문 리뷰] A Motivated Non-Standard Supersymmetric Spectrum

Paolo Lodone|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 자연성과 쿼크의 flavor 위반 신호 부재에 기반하여, 첫 번째 및 두 번째 쿼크 세대의 스퍼펌이 20 테라전자볼트 이상으로 매우 무거운 비표준 초대칭 스펙트럼을 제안한다. 이 스펙트럼은 비교적 무거운 힉스 보손(200–300 기로전자볼트)을 포함하며, 자연성 조건을 만족하고, 유도된 최소 flavor 위반(Minimal Flavour Violation)을 통해 flavor 변화 중성미자 전이를 억제하며, 전기 dipole moment 제약 조건과도 일치한다. 이는 테스트 가능한 LHC 및 암흑물질 서명을 가진 MSSM의 현저하게 다른 가능하고 타당한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

After an introduction to the Hierarchy Problem and to Supersymmetry we discuss the phenomenology of a motivated non-standard pattern of sparticle masses in the context of extensions of the Minimal Supersymmetric Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 실험에서 flavor 위반 신호가 관측되지 않았다는 점에 기반하여, 첫 번째 및 두 번째 쿼크 세대의 스퍼펌이 20 테라전자볼트 이상으로 매우 무거운 비표준 초대칭 스펙트럼을 탐색한다.
• 자연성 조건과 전기약력 정밀도 데이터와의 일치를 유지하면서도 비교적 무거운 힉스 보손(200–300 기로전자볼트)이 존재하는 초대칭 모형의 타당성을 조사한다.
• 계층적인 스퍼펌 질량이 효과적 최소 flavor 위반(eMFV)을 유도하는 방식과, QCD 보정 및 이전에 간과된 요소를 포함한 flavor 위반 진폭 계산에서의 영향을 분석한다.
• 쿼크와 스퍼펌에 대해 작용하는 $U(2)^3 = U(2)_Q \times U(2)_u \times U(2)_d$에 기반한 더 진보된 flavor 대칭 패턴을 제안하고, $\Delta F=2$ 진폭 간의 얽힘 문제를 해결하며 $B_s$–$\bar{B}_s$ 혼합을 예측한다.
• 이 $U(2)^3$ flavor 대칭 프레임워크의 역학적 실현을 제안하고, CP 비대칭도 $B_s \to \psi\phi$에서의 영향을 포함한 현상물리적 결과를 평가한다.

제안 방법

• 추가적인 수준에서의 가벼운 힉스 질량 기여를 고려하여 MSSM의 확장 모형을 비교하기 위해 하향식 접근법을 사용한다. 주로 $U(1)$ 및 $SU(2)$ 게이지 확장을 중심으로 분석한다.
• 자연성 조건과 게이지 커플링의 달라짐을 적용하여 새로운 물리의 스케일을 제약한다. 이는 소프트 항목이 비교적 낮은 스케일에서 생성되어야 한다는 요구 조건을 수반한다.
• 색의 보존 및 전기약력 정밀도 시험을 통해 물리적으로 의미 없는 매개변수 영역을 배제한다.
• 계층적인 스퍼펌 질량에서 유도된 효과적 MFV 조건을 유도하며, QCD 보정 및 이전에 간과된 요소를 포함한 flavor 위반 진폭 계산에 포함한다.
• 쿼크와 스퍼펌에 대해 작용하는 $U(2)^3 = U(2)_Q \times U(2)_u \times U(2)_d$ flavor 대칭을 도입하며, 관측된 쿼크 질량과 혼합을 재현할 수 있도록 붕괴되는 방식으로 설계한다.
• EDM 및 $\Delta B=1$ 진폭에 대한 수치 분석을 수행하여, 첫 번째 세대의 스퍼펌이 매우 무거워지면서 소프트 붕괴 항목의 위상이 크더라도 실험 제약 조건을 위반하지 않음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200–300 기로전자볼트 범위의 무거운 힉스 보손과 20 테라전자볼트 이상의 첫 번째 및 두 번째 세대 스퍼펌을 가진 초대칭 모형이 자연성 조건과 전기약력 정밀도 데이터와 일치할 수 있는가?
• RQ2 계층적인 스퍼펌 질량이 효과적 최소 flavor 위반을 어떻게 유도하는가? QCD 보정을 포함할 경우, 무거운 스쿼크 질량에 대한 제약 조건은 어떻게 되는가?
• RQ3 $U(2)^3$ flavor 대칭 패턴이 $K^0$–$\bar{K}^0$ 및 $B_d$–$\bar{B}_d$ 혼합에서 관측된 $\Delta F=2$ 진폭 간의 갈등을 설명하면서도 $B_s$–$\bar{B}_s$ 혼합을 예측할 수 있는가?
• RQ4 이러한 스펙트럼이 암흑물질의 잔류 밀도와 직접 탐지에 어떤 영향을 미치는가? 특히 무거운 힉스 보손의 영향을 고려할 때 어떻게 되는가?
• RQ5 소프트 붕괴 항목의 위상은 전기 dipole moment과 $B$ 물리에서의 CP 비대칭도에 어떤 영향을 미치며, 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 크기가 클 수 있는가?

주요 결과

• 스퍼펌 질량이 20 테라전자볼트 이상이고 힉스 보손 질량이 최대 300 기로전자볼트에 이르는 비표준 초대칭 스펙트럼은 자연성 조건을 만족하고 전기약력 정밀도 데이터와도 일치한다.
• 이 모형은 표준모형을 초월한 양의 CP 비대칭도를 예측하며, $0.05 \lesssim S_{\psi\phi} \lesssim 0.2$ 범위에서 LHC에서의 특징적인 서명을 제공한다.
• 계층적인 스퍼펌 질량으로 인해 효과적 최소 flavor 위반이 발생하며, 첫 번째 세대 스퍼펌이 매우 무거워지면서 소프트 붕괴 항목의 위상이 크더라도 EDM 제약 조건을 위반하지 않는다.
• $U(2)^3$ flavor 대칭 프레임워크는 $K^0$, $B_d$, $B_s$ 시스템의 $\Delta F=2$ 진폭 간의 상관관계를 유도하며, CKM 피팅에서 $S_{\psi K_S}$와 $\epsilon_K$ 간의 갈등을 해결한다.
• 글루아노 및 왼쪽 스바텀의 선호 질량 범위는 1.5 테라전자볼트 이하로, LHC에서 발견 가능할 가능성이 있다.
• 표준모형 유사 힉스 보손이 95% 신뢰수준에서 476 기로전자볼트 이하로 배제된 이후에도, 힉스 보존 또는 분해비율이 표준모형 예측과 크게 다를 경우 이 모형은 여전히 타당하다.