[논문 리뷰] Coupling of fermionic fields with mass dimensions one to the O'Raifeartaigh model

Kai E. Wunderle, Rainer Dick|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미온 장을 질량 차원 1을 가진 측도로 연결하여 O'Raifeartaigh 모델의 초대칭 확장을 제안하며, 이러한 연결이 로렌츠 불변성을 잃는 대가로 초대칭을 복원할 수 있음을 보여준다. 이 모델은 두 가지 다른 해를 도출한다: 원래 O'Raifeartaigh 모델과 유사한 자발적 초대칭 위반을 보이는 해와, 페르미온 장의 비영이 expectation value 덕분에 초대칭이 복원되는 해로, 실험적으로 관측 가능한 서브스피너 측정 가능한 초대칭 어둠료물질 후보가 된다.

ABSTRACT

The objective of this article is to discuss the coupling of fermionic fields with mass dimension one to the O'Raifeartaigh model to study supersymmetry breaking for fermionic fields with mass dimension one. We find that the coupled model has two distinct solutions. The first solution represents a local minimum of the superpotential which spontaneously breaks supersymmetry in perfect analogy to the O'Raifeartaigh model. The second solution is more intriguing as it corresponds to a global minimum of the superpotential. In this case the coupling to the fermionic sector restores supersymmetry. However, this is achieved at the cost of breaking Lorentz invariance. Finally, the mass matrices for the multiplets of the coupled model are presented. It turns out that it contains two bosonic triplets and one fermionic doublet which are mass multiplets. In addition it contains a massless fermionic doublet as well as one fermionic triplet which is not a mass multiplet but rather an interaction multiplet that contains component fields of different mass dimension. These results show that the presented model for fermionic fields with mass dimension one is a viable candidate for supersymmetric dark matter that could be accessible to experiments in the near future.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 프레임워크 내에서 ELKO 스핀어를 일반화하는 질량 차원 1을 가진 페르미온 장을 포함하여 O'Raifeartaigh 모델을 확장하는 것.
• 이러한 특이한 페르미온 장과의 결합이 초대칭 위반과 로렌츠 불변성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 결합된 시스템이 질량 다중체를 지닐 수 있는지 여부와 잠재적 어둠료물질 후보를 식별하는 것.
• 질량 차원 1을 가진 페르미온이 히긴스 섹터와의 측정 가능한 결합을 통해 은폐된 섹터 어둠료물질 후보로서의 타당성을 탐색하는 것.
• 특히 혼합 질량 차원 장을 포함한 상호작용 다중체가 나타나는 방식을 분석하는 결합 모델의 질량 행렬과 다중체 구성의 구조를 분석하는 것.

제안 방법

• 비영이 진공 기대값을 가진 캐럴리안 수퍼필드와 질량 차원 1을 가진 스피너 수퍼필드를 연결하는 수퍼포텐셜의 구성.
• 수퍼포텐셜의 최소화를 통해 구성 요소 장의 진공 기대값을 결정하고, 자명한 해와 비자명한 해로 구분되는 두 가지 해를 식별.
• 보조 장과 페르미온 장의 운동 방정식 유도. 이는 F-항과 페르미온 섹터에 기인한 결합 강도 기여를 포함.
• 진공 기대값 주변에서 구성 요소 장을 전개하여 질량 행렬을 계산하고 다중체 구조를 분석.
• 비영이 페르미온 기대값이 시공간 내 선호 방향을 유도하는지 여부를 검토함으로써 로렌츠 불변성의 평가.
• 결합 강도를 0으로 줄였을 때 모델이 원래 O'Raifeartaigh 모델과 페르미온 장 모델로 축소됨을 확인하는 일관성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 차원 1을 가진 페르미온 장이 O'Raifeartaigh 모델과 일관되게 결합될 수 있으며, 초대칭을 유지할 수 있는가?
• RQ2 질량 차원 1을 가진 페르미온과 O'Raifeartaigh 모델 간의 결합이 초대칭을 복원하는가? 만약 그렇다면 어떤 조건에서인가?
• RQ3 이 결합이 로렌츠 불변성에 어떤 영향을 미치며, 초대칭이 복원될 경우 이 모델이 이러한 대칭을 깨는가?
• RQ4 결합된 모델에서의 질량 행렬과 다중체 구조는 원래 O'Raifeartaigh 모델과 어떻게 다를까?
• RQ5 결과 모델이 실현 가능하고 실험적으로 관측 가능한 초대칭 어둠료물질 후보를 지닐 수 있는가?

주요 결과

• 결합된 모델은 두 가지 다른 진공 해를 수용한다: 원래 O'Raifeartaigh 모델과 동일한 자발적 초대칭 위반 해와, 페르미온 장의 비영이 기대값 덕분에 초대칭이 복원되는 해.
• 초대칭 복원은 비영이 페르미온 기대값이 시공간 내 선호 방향을 유도함으로써 로렌츠 불변성을 깨는 대가로 이루어진다.
• 질량 행렬 분석 결과, 두 개의 보존 삼중체와 한 개의 페르미온 이중체로 구성된 질량 다중체가 존재하며, 질량이 0인 페르미온 이중체와 질량 차원이 다른 구성 요소를 포함해 질량 다중체가 되지 않는 페르미온 삼중체도 존재한다.
• 보존 질량 항은 원래 O'Raifeartaigh 모델이 임의의 척도 매개변수에 의존하는 것과 달리, 결합 강도와 페르미온 질량 척도에 의존하게 된다.
• O'Raifeartaigh 모델의 페르미온 삼중체는 결합 강도와 페르미온 질량 척도에 의존하는 새로운 페르미온 이중체로 대체되며, 혼합 질량 차원 장을 포함한 새로운 상호작용 다중체가 나타난다.
• 이 모델은 히긴스 필드에 주로 결합하는 실현 가능한 초대칭 어둠료물질 후보를 제공하며, LHC에서 히긴스 붕괴 비율의 변화를 통해 실험적으로 탐지 가능할 수 있다.