[논문 리뷰] Does Supersymmetry Require Two Higgs Doublets?

Masahiro Ibe, Arvind Rajaraman외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 게이지 이상을 상쇄하기 위해 새로운 전자기적-약한 상호작용을 갖는 편재성 스칼라 상태를 도입함으로써, 표준 모형의 MSSM에서처럼 $H_d$ 대신 $H_u$ 하나뿐인 편재성 힉스 섹터를 포함하는 저에너지 초대칭 모델의 클래스를 제안한다. 이 모델은 초대칭 붕괴에 의해 유도되는 고차원 연산자를 통해 아래쪽 쿼크 및 양성자 렙톤 질량을 생성함으로써 $μ$-문제를 피하고, 새로운 어두운 물질 물리학을 가능하게 하며, 타당한 UV 완성과 독특한 LHC 서명을 갖는다.

ABSTRACT

We discuss a new class of low energy supersymmetric models in which the Higgs sector includes a single doublet, for example H_u, but not H_d. Chiral gauge anomalies are canceled against new electroweak-charged states. We discuss the main challenges in building such models, and present several models where these issues are addressed. The resulting phenomenology can be distinguished from that of the MSSM in a number of ways, most notably in physics related to down-type quarks and charged leptons. As a first step toward a chiral Higgs sector, we discuss the scenario of an inert H_d doublet. We show that a UV completion of such model naturally includes dark matter with novel, flavorful couplings to SM quarks.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형의 MSSM에서처럼 $H_u$와 $H_d$의 쌍이 아닌 단 하나의 힉스 두중우 ($H_u$)만을 요구하는 이상이 없는, 현상학적으로 타당한 초대칭 모델을 구축하는 것.
• 초대칭 붕괴에 의해 유도되는 고차원 연산자를 사용하여 $H_d$ 없이도 아래쪽 쿼크 및 양성자 렙톤 질량을 생성하는 도전 과제를 해결하는 것.
• 새로운 편재성 물질을 포함한 효과적인 장 이론과 UV 완성 모델을 구성함으로써 편재성 힉스 섹터의 타당성을 탐색하는 것.
• 새로운 색 쿼크나 매우 높은 전하를 지닌 입자로부터 유도되는, 예를 들어 힉스 생성의 증가 또는 새로운 LHC 신호와 같은 독특한 현상학적 서명을 식별하는 것.
• UV 완성 프레임워크 내에서 SM 쿼크와의 새로운 상호작용을 갖는 유형별 어두운 물질의 잠재성을 탐구하는 것, 이를 위해 관계 없는 $H_d$ 두중우를 사용함.

제안 방법

• 표준 모형 페르미온에 대한 상호작용이 없는 (또는 존재하지 않는) $H_d$를 포함한 편재성 힉스 섹터를 도입함으로써 $μ$-문제를 피하는 것.
• 새로운 전자기적-약한 상호작용을 갖는 편재성 스칼라 장을 도입하여 편재성 게이지 이상을 상쇄하며, 이들의 질량을 크게 주어 현상학적 타당성을 확보하는 것.
• 고차원 연산자를 통해 $H_u$, $F_X$ (초대칭 붕괴), 및 截斷 스케일 $M$ 을 포함하는 방식으로 아래쪽 쿼크 및 렙톤 질량을 생성함. 예: $\int d^4\theta \frac{X^\dagger}{M^2} H_u^\dagger Q \bar{d}$.
• 추가적인 편재성 스칼라 장 $T$, $D$, $\rho$, $\phi$, $N$ 을 사용하여 이상 상쇄와 질량 생성을 실현하는 UV 완성 모델을 구성함. 이는 양자역학적 상호작용 및 비홀로모르픽 항을 포함함.
• 초위상수와 켈러 포텐셜을 사용하여 새로운 입자 및 힉스이노의 질량 항을 유도함으로써 초대칭과 게이지 불변성의 일관성을 확보하는 것.
• 유도된 스펙트럼과 현상학을 분석함. 이는 $S$ 및 $T$ 매개변수, 힉스 생성 단면적, 그리고 새로운 색 쿼크나 매우 높은 전하를 지닌 상태에서 유래하는 입자 충돌기 서명 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단 하나의 힉스 두중우 ($H_u$)만을 포함하는 초대칭 모델이 이상이 없고 현상학적으로 타당한가?
• RQ2 표준 모형의 페르미온에 대한 상호작용이 없는 $H_d$ 없이도, 게이지 및 초대칭의 일관성을 유지하면서 아래쪽 쿼크 및 양성자 렙톤 질량을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 표준 모형 페르미온에만 상호작용하지 않고 힉스이노에만 상호작용하는 관계 없는 $H_d$ 두중우의 의미는 무엇인가?
• RQ4 단 하나의 $H_u$ 두중우만을 포함하는 완전히 편재성 힉스 섹터를 구성할 수 있으며, 이상 상쇄를 위해 필요한 새로운 편재성 장은 무엇인가?
• RQ5 이러한 편재성 힉스 모델에서 유래하는 독특한 입자 충돌기 서명, 예를 들어 힉스 생성의 증가 또는 이국적인 붕괴는 무엇인가?

주요 결과

• 이상은 새로운 편재성 스칼라 장을 도입하여 큰 질량을 주어 모델이 $H_d$ 없이도 타당성을 유지할 수 있도록 상쇄된다.
• 아래쪽 쿼크 및 렙톤 질량은 $H_u$, $F_X$, 및 截斷 스케일 $M$ 을 포함하는 고차원 연산자를 통해 생성되며, 질량 행렬 $m_d = y'_{d} v_u \frac{F_X}{M^2} + Y_d v_d$ 는 큰 $\tan\beta$를 허용하면서도 양자역학적 수렴 문제 없이 작동한다.
• 관계 없는 $H_d$ 시나리오에서는 힉스의 $b\bar{b}$ 붕괴 확률이 MSSM 대비 $1/\tan^2\beta$ 만큼 감소하며, $H_u$ 는 표준 모형 힉스처럼 행동한다.
• 거울 4번째 세대 또는 다수의 힉스 두중우(예: 3개 또는 4개)를 포함하는 UV 완성 모델이 구성되었으며, 이는 이중, 삼중, 또는 사중 전하를 지닌 입자를 포함한다.
• 거울 4번째 세대를 포함하는 모델에서는 힉스 생성 단면적이 크게 증가하여 LHC에서 검증 가능하며, $m_h < 600~{\rm GeV}$ 는 CMS가 95% 신뢰 수준에서 이미 배제하였다.
• 새로운 색 쿼크나 매우 높은 전하를 지닌 편재성 상태로 인해 이러한 편재성 힉스 모델은 MSSM 및 기타 확장 모델과 구별되는 새로운 LHC 서명을 예측한다.