[논문 리뷰] CP Violation From Standard Model to Strings

Tarek Ibrahim, Pran Nath|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 14.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형에서 초끈이론에 이르기까지 CP 위반에 대한 종합적인 검토를 제공하며, 강입자 생성, 전기 dipole 모멘트(EDM), 힉스 섹터 현상학, 그리고 초대칭 및 추가 차원 모형에서의 암흑물질에 있어서의 역할을 분석한다. 특히 초대칭과 끈 수축에서의 CP 위반 위상이 $g-2$, 힉스 붕괴 및 양성자 안정성과 같은 관측 가능 물리량에 미치는 영향을 강조하며, EDM 제약과 실험 콜라이더 서명에 중점을 둔다.

ABSTRACT

A review of CP violation from the Standard Model to strings is given which includes a broad landscape of particle physics models, encompassing the non-supersymmetric 4D extensions of the standard model, and models based on supersymmetry, on extra dimensions, on strings and on branes. The supersymmetric models discussed include complex mSUGRA and its extensions, while the models based on extra dimensions include 5D models including models based on warped geometry. CP violation beyond the standard model is central to achieving the desired amount of baryon asymmetry in the universe via baryogenesis and leptogenesis. They also affect a variety of particle physics phenomena: electric dipole moments, $g-2$, relic density and detection rates for neutralino dark matter in supersymmetric theories, Yukawa unification in grand unified and string based models, and sparticle production cross sections, and their decays patterns and signatures at hadron colliders. Additionally CP violations can generate CP even-CP odd Higgs mixings, affect the neutral Higgs spectrum and lead to phenomena detectable at colliders. Prominent among these are the CP violation effects in decays of neutral and charged Higgs bosons. Neutrino masses introduce new sources of CP violation which will be explored in neutrino factories in the future. Such phases can also enter in proton stability in unified models of particle interactions. The current experimental status of CP violation is discussed and possibilities for the future outlined.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 끈이론에 이르기까지 입자물리 모형들에서 CP 위반을 체계적으로 검토하는 것.
• 레프토제네시스와 바리온 생성을 통해 관측된 바리온 비대칭을 생성하는 CP 위반 위상의 역할을 분석하는 것.
• 특히 초대칭과 끈 수축에서의 신물리 모형에 대한 전기 dipole 모멘트(EDM) 제약을 검토하는 것.
• 주요 관측 가능 물리량인 $g-2$, 힉스 붕괴, 중성차입 암흑물질, 양성자 안정성, 콜라이더 서명에 영향을 미치는 CP 위상의 영향을 탐색하는 것.
• 향후 실험적 탐지 수단, 특히 향상된 EDM 탐색, LHCb, Super Belle, 중성미자 시설 등을 식별하는 것.

제안 방법

• 표준모형에서의 CP 위반을 검토하며, 강한 CP 문제와 CKM 행렬에 중점을 둔다.
• 비초대칭 및 초대칭 확장 모형을 분석하며, 복소 mSUGRA 및 그 확장 모형을 포함한다.
• 5차원 및 왜곡된 추가 차원 모형에서의 CP 위반을 검토하며, 오르비폴드 및 D-브레인 구조를 포함한다.
• 피에르 재배열과 스쿼크/중성차입 입자 교환 도형을 이용해 EDM 및 중성차입-쿼크 산란에 대한 효과적 라그랑지안을 유도한다.
• 실험적 제약을 만족시키기 위해 필요로 하는 상쇄 메커니즘을 포함한, EDM, 크로모전자, 글루온 전지 모멘트 연산자에 대한 양자역학적 군집화를 적용한다.
• CPsuperH와 같은 계산 도구를 활용하여, 복소 위상이 있는 CP 위반 MSSM 시나리오에서의 힉스 스펙트럼과 붕괴 폭을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초대칭 모형에서의 CP 위반 위상은 렙톤과 쿼크의 전기 dipole 모멘트에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 CP 위반은 레프토제네시스와 바리온 생성을 통해 우주의 바리온 비대칭을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 끈 수축 및 D-브레인 모형에서의 CP 위반 위상은 콜라이더에서 관측 가능한 서명을 어떻게 이끌어내는가?
• RQ4 CP 위상은 힉스 보손 붕괴를 어떻게 수정하는가? 특히 CP-짝성/비짝성 혼합 및 임의의 힉스 붕괴에 대해 설명하라.
• RQ5 GUT 및 초대칭 모형에서 중성차입 암흑물질 탐지와 양성자 안정성에 대해 CP 위반 위상은 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• MSSM에서의 CP 위반 위상은 $g_\tau - 2$에 상당한 영향을 미치며, 스토퍼 교환 기여로 인해 비정상 자기모멘트가 발생한다.
• 전자 및 뮤온의 EDM는 실험으로 제약을 받으며, 스퍼미온 및 게이지노 질량 행렬의 복소 위상에 따라 값이 달라진다.
• 크로모전자 및 순수 글루온 전지 연산자는 쿼크의 EDM에 기여하며, 실험적 제약을 만족시키기 위해 상쇄 메커니즘이 필요하다.
• 히iggs 섹터에서의 CP 위반 위상은 CP-짝성/비짝성 혼합을 유도하여 중성 힉스 스펙트럼을 변화시키며, 힉스 붕괴에서 관측 가능한 서명을 생성한다.
• 예를 들어 $H^-\to \bar{t}b$ 및 $H^-\to \bar{\nu}_\tau \tau$와 같은 임의의 힉스 붕괴는 CP 위상에 민감하며, 콜라이더에서의 잠재적 서명을 제공한다.
• CPsuperH 코드를 통해 복소 위상이 있는 CP 위반 MSSM 힉스 섹터의 수치적 분석이 가능해지며, 붕괴 폭과 질량 스펙트럼을 포함한 분석이 가능하다.