[논문 리뷰] Flavour physics, supersymmetry and grand unification

Ulrich Nierste|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 DØ 실험 데이터가 제기한 $B_s$–$ar{B}_s$ 혼합에서의 큰 CP 위반 위상이, 우수한 대기 중 중성미자 혼합 각도가 오른쪽 수평 스夸크 혼합을 통해 맛을 변화시키는 초대칭 대Unified 이론(SUSY GUTs)에서 설명될 수 있다고 제안한다. 제약된 최소 맛 위반(CMFV)을 가진 SO(10) GUT 모형에서, 이 모형은 큰 $B_s$ 혼합 위상과 모든 맛 및 힉스 질량 제약 조건을 동시에 만족시키며, $B_s$ 혼합과 $ au \to \mu\gamma$ 붕괴 사이의 상관관계를 제공함으로써, 맛 물리학에서의 표준모형의 갈등에 대해 타당한 해결책을 제시한다.

ABSTRACT

A global fit to quark flavour-physics data disfavours the Standard Model with 3.6 standard deviations and points towards new CP-violating physics in meson-antimeson mixing amplitudes. Tevatron data call for a new Bs-Bs-bar mixing phase and new physics in Bd-Bd-bar mixing alleviates the tension on the unitarity triangle driven by B(B-> tau nu). In supersymmetric GUT models the large atmospheric neutrino mixing angle can influence b -> s transitions. I present the results of a recent analysis in an SO(10) GUT model which accomodates the large Bs-Bs-bar mixing phase while simultaneously obeying all other experimental constraints.

연구 동기 및 목표

• 표준모형이 예측하는 $B_s$–$\overline{B}_s$ 혼합 위상에 대한 갈등을 다루며, 이는 DØ 데이터에 의해 3.9σ로 기각된다.
• 초대칭 대Unified 이론(SUSY GUTs)이 관측된 큰 CP 위반 위상을 자연스럽게 설명할 수 있는지 탐색한다.
• 제약된 최소 맛 위반(CMFV)을 가진 SO(10) GUT 모형을 구축하여, $B_d$ 혼합, $\epsilon_K$, $b \to s\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$, 힉스 보존 질량 등 모든 제약 조건을 동시에 충족시킨다.
• 큰 대기 중 중성미자 혼합 각도가 GUT 프레임워크 내에서 오른쪽 수평 스쿼크 혼합을 통해 비-MFV $b \to s$ 전이를 유도할 수 있음을 보여준다.
• 기존의 맛 물리학 데이터와 충돌하지 않으면서도 $B_s$ 혼합에서 큰 새로운 물리학 효과를 허용할 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 표준모형과의 갈등을 규명하기 위해, $B_d$ 및 $B_s$ 혼합, $\epsilon_K$, $B \to \tau\nu$, $b \to s\gamma$ 등을 포함한 쿼크 맛 물리학 데이터에 대한 종합적 피팅을 수행한다.
• 복잡한 새로운 물리학 위상이 허용되는 프레임워크를 사용하여, $\Delta F = 2$ 메손-반메손 혼합 진폭에 대한 새로운 물리학의 영향을 분석한다. 특히 $B_s$ 혼합에 집중한다.
• 큰 대기 중 중성미자 혼합 각도가 오른쪽 수평 스쿼크 혼합을 통해 $b \to s$ 전이에 연결되는, 제약된 최소 맛 위반(CMFV)을 가진 SO(10) GUT 모형을 구축한다.
• 군집화된 양자역학적 진동을 사용하여 오른쪽 수평 내림 스쿼크 질량 행렬을 계산하며, 이는 PMNS 행렬에 비례하는 비대칭 항과 토퍼-요크 상수에 의해 유도되는 질량 분리에 비례하는 항을 포함한다.
• GUT 대칭 붕괴 경로 SO(10) → SU(5) → SM을 통해 $B_s$ 혼합과 $\tau \to \mu\gamma$ 붕괴 사이의 상관관계를 확립함으로써 맛을 보존하는 예측을 보장한다.
• 스파article 질량, $\tan\beta$, 및 삼중항 계수를 스캔하는 7개의 매개변수로 구성된 CMM 모형에 대한 종합적인 수치 분석을 수행하여 타당한 영역을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DØ 데이터에서 관측된 $B_s$–$\overline{B}_s$ 혼합에서의 큰 CP 위반 위상을 설명할 수 있는 초대칭 GUT 모형이 존재하는가? 이는 표준모형과 3.9σ의 차이를 보인다.
• RQ2 GUT 프레임워크 내에서 큰 대기 중 중성미자 혼합 각도를 $b \to s$ 전이와 연결할 수 있는 방법은 무엇인가? 이는 맛 제약 조건을 위반하지 않도록 해야 한다.
• RQ3 $B_d$ 혼합, $\epsilon_K$, $b \to s\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$ 제약 조건을 동시에 충족시키면서도 큰 $B_s$ 혼합 위상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 오른쪽 수평 스쿼크 혼합과 PMNS 행렬 원소는 $B_s$ 혼합에서 새로운 CP 위반 위상을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 SO(10) GUT에 기반한 CMM 모형—제약된 최소 맛 위반(CMFV)을 가진—은 관측된 $B_s$ 혼합 위상과 측정된 힉스 보존 질량 및 스파르티클 질량 한계와 일치하는가?

주요 결과

• 맛 데이터에 대한 종합적 피팅은 표준모형을 3.6σ 수준에서 기각하며, 메손-반메손 혼합 진폭에서 새로운 CP 위반 물리학이 존재함을 시사한다.
• DØ 데이터는 $B_s$–$\overline{B}_s$ 혼합에 새로운 CP 위상이 필요하며, 그 유의미성은 3.9σ이다. 이는 표준모형으로서는 설명될 수 없다.
• CMM 프레임워크를 가진 SO(10) GUT 모형은 모든 다른 실험 제약 조건—$\epsilon_K$, $B_d$ 혼합, $b \to s\gamma$, $\tau \to \mu\gamma$—을 만족시키면서도 큰 $B_s$ 혼합 위상을 성공적으로 수용한다.
• 모형은 GUT 대칭 붕괴 경로를 통해 $B_s$ 혼합과 $\tau \to \mu\gamma$ 붕괴 사이의 상관관계를 예측하며, 이는 검증 가능한 연결고리가 된다.
• CMM 모형에서 12개의 스쿼크 질량 중 8개는 거의 딱 맞고 일반적으로 1 TeV 이상이 되며, LHC 제약 조건과 일치한다.
• 차원 5 연산자의 수정 항은 일부 $B_s$ 혼합 기여도를 $B_d$ 및 $K$ 혼합으로 유도하여, 유니타리 삼각형 피팅에서의 갈등을 완화하는 데 기여한다.