[논문 리뷰] Dark Energy density in Split SUSY models inspired by degenerate vacua

C.D. Froggatt, R. Nevzorov외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 22.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 분할 초대칭(Split SUSY)에서 관측된 어두운 에너지 밀도가, 초대칭를 유지하는 하나의 진공과 초대칭을 깨는 다른 하나의 진공을 가진 무척도(supergravity) 모델에서 자연스럽게 설명될 수 있음을 제안한다. 이러한 두 진공 간에 우주론적 상수의 일치 조건을 가정할 때, 관측된 어두운 에너지 밀도는 초대칭 깨짐 스케일이 약 $10^{10}$ GeV일 경우 비양자역학적 QCD 효과에 의해 재현된다.

ABSTRACT

It is well known that global symmetries protect local supersymmetry and a zero value for the cosmological constant in no--scale supergravity. The breakdown of these symmetries, which ensure the vanishing of the vacuum energy density, results in a set of degenerate vacua with broken and unbroken supersymmetry leading to the natural realisation of the multiple point principle (MPP). Assuming the degeneracy of vacua with broken and unbroken SUSY in the hidden sector we estimate the value of the cosmological constant. We argue that the observed value of the dark energy density can be reproduced in the split-SUSY scenario if the SUSY breaking scale is of the order of 10^{10} GeV.

연구 동기 및 목표

• 무척도 초대칭에서의 일치 진공을 활용하여 우주론적 상수 문제를 해결한다.
• 관측된 매우 작은 어두운 에너지 밀도를 비정밀 조정 없이, 관측 부문의 비양자역학적 초대칭 깨짐과 연결시켜 설명한다.
• 관측된 우주론적 상수 값을 재현하는 초대칭 깨짐 스케일 $M_S$의 예측을 유도한다.
• 추가의 벡터형 퀘이크($5+\bar{5}$)를 포함할 경우 예측된 $M_S$ 스케일에 어떤 영향을 미치는지 탐색한다.
• 글루아노 수명을 초대칭 깨짐 스케일과 연결하여, 이 모델의 잠재적 실험적 검증 가능성을 제시한다.

제안 방법

• 초기 조건에서 초대칭 깨짐이 없을 경우 진공 에너지가 0이 되도록 보장하기 위해, 카일러 포텐셜 $\hat{K} = -3\ln[T + \bar{T} - |z|^2]$ 과 초위력 $\hat{W}(z) = \kappa(z^3 + \mu_0 z^2 + \sum_{n=4}^\infty c_n z^n)$ 을 사용하는 무척도 초대칭 초구성(supergravity)을 활용한다.
• 다중점 원리(Multiple Point Principle, MPP)를 적용하여 초대칭을 유지하는 진공($m_{3/2} = 0$)과 초대칭을 깨는 진공 간의 일치 조건을 설정함으로써 정밀 조정을 피한다.
• 게이지 운동함수 $f_a(T,z) \simeq \text{const}$ 를 가정함으로써, 두 진공 모두에서 게이지 커플링 상수가 동일하게 진화하도록 한다.
• 두 번째 진공에서 QCD 스케일 $\Lambda_{SQCD}$ 를 계산하기 위해, $\alpha_3^{(2)}(M_S) = \alpha_3^{(1)}(M_S)$ 라는 매칭 조건을 사용하며, 베타 함수로는 $b_3 = -3$, $\tilde{b}_3 = -7$, $b_3' = -5$ 를 사용한다.
• 초기 조건에서 초대칭 깨짐이 일어나는 상황에서, 상수의 우주론적 상수를 $\Lambda \simeq \Lambda_{SQCD}^4$ 로 추정한다. 이는 토프 쿼크 응집체 형성이 초대칭 깨짐을 유도한다고 가정한다.
• 글루아노 붕괴 수명 $\tau \sim 8 (M_S/10^9\,\text{GeV})^4 (1\,\text{TeV}/M_g)^5\,\text{s}$ 를 평가하여 $M_S$ 와 관측 가능한 서명 간의 연결 고리를 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 어두운 에너지 밀도가 정밀 조정 없이 분할 초대칭에서 자연스럽게 재현될 수 있는가?
• RQ2 무척도 초대칭에서 일치 진공을 가진 모델에서 관측된 우주론적 상수를 재현하는 데 필요한 초대칭 깨짐 스케일 $M_S$ 는 얼마인가?
• RQ3 추가의 벡터형 $5+\bar{5}$ 다중체를 포함할 경우 예측된 $M_S$ 스케일은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 틀에서 글루아노 수명이 초대칭 깨짐 스케일을 측정하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 숨겨진 부문에서 초대칭이 깨질 경우, 관측 부문의 비양자역학적 QCD 역학이 관측 결과와 일치하는 진공 에너지를 생성하는가?

주요 결과

• 최소한의 분할 초대칭 모델에서 초대칭 깨짐 스케일이 $M_S \sim 10^{10}\,\text{GeV}$ 일 때 관측된 어두운 에너지 밀도가 재현된다.
• 글루아노 질량 $M_g = 500\,\text{GeV}$ 일 경우 모델은 $M_S \approx 3 \times 10^{10}\,\text{GeV}$ 를 예측하고, $M_g = 2500\,\text{GeV}$ 일 경우 $M_S \approx 2 \times 10^9\,\text{GeV}$ 를 예측하며, 이는 $\alpha_3(M_Z)$ 의 값에 따라 달라진다.
• 추가의 $5+\bar{5}$ 다중체 한 쌍을 포함할 경우, $M_S \simeq 1\,\text{TeV}$ 에서도 우주론적 상수가 재현될 수 있다.
• 글루아노 수명은 $M_S$ 가 $2 \times 10^9$ 에서 $3 \times 10^{10}\,\text{GeV}$ 범위일 경우 1초에서 $2 \times 10^8$ 초($\sim 1000$ 년) 사이의 범위를 가진다.
• 초기 조건에서 초대칭과 깨진 초대칭 진공 간의 일치 조건을 보장함으로써, 이 모델은 추가 정밀 조정 없이도 나무 단계에서 다중점 원리(MPP)를 자연스럽게 실현한다.
• 우주론적 상수는 $\Lambda \simeq \Lambda_{SQCD}^4$ 로 생성되며, 여기서 $\Lambda_{SQCD}$ 는 두 번째 진공에서의 강한 상호작용 스케일로, 두 진공 간의 게이지 커플링 매칭 조건에 의해 결정된다.