[논문 리뷰] Implications of low and high energy measurements on SUSY models

F. Jegerlehner|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 저에너지 정밀 측정, 특히 뮤온 비례 자기모멘트 $(g-2)_\mu$와 LHC에서의 초대칭(SUSY) 입자 질량에 대한 제약 조건 사이의 갈등을 조사한다. 이는 125 GeV의 힉스 보존이 초대칭을 지지할 수는 있지만, $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명하기 위해 필요한 큰 $\tan\beta$ 값이 LHC 데이터와 충돌하여, 새로운 물리학이나 개선된 이론적 계산이 이 격차를 해결하지 않는 한 최소 초대칭 모형의 타당성을 떨어뜨린다.

ABSTRACT

New Physics searches at the LHC have increased significantly lower bounds on unknown particle masses. This increases quite dramatically the tension in the interpretation of the data: low energy precision data which are predicted accurately by the SM (LEP observables like M_W or loop induced rare processes like B --> X_s gamma or B_s --> mu+mu-) and quantities exhibiting an observed discrepancy between SM theory and experiment, most significantly found for the muon g-2, seem to be in conflict now. (g-2)_mu appears to be the most precisely understood observable which at the same time reveals a 3-4 sigma deviation between theory and experiment and thus requires a significant new physics contribution. The hints for a Higgs of mass about 125 GeV, which is precisely what SUSY extensions of the SM predict, seem to provide a strong indication for SUSY. At the same time it brings into serious trouble the interpretation of the (g-2)_mu deviation as a SUSY contribution.

연구 동기 및 목표

• 최소 초대칭 표준모형(MSSM) 예측이 저에너지 정밀 측정과 고에너지 LHC 제약 조건 양쪽 모두와 일관된지 평가하기.
• 관측된 뮤온 $(g-2)$의 $3-4\sigma$ 이격이 큰 $\tan\beta$를 요구하지 않고서는 MSSM 기여로 쉽게 설명될 수 없는 이유를 조사하기.
• 125 GeV 힉스 보존의 발견이 $(g-2)_\mu$와 LHC 질량 제약 조건 간의 갈등에도 불구하고 초대칭을 지지하는지 평가하기.
• 미래 실험, 예를 들어 페르미랩 E989의 역할을 통해 뮤온 이상현상과 $\mu$ 및 $\tan\beta$와 같은 초대칭 매개변수를 제약 조건하는 데 기여하는 방식을 검토하기.
• 특히 양자전자역학(QED)의 저주파수 영역 효과에 대한 이론적 계산과 실험 측정에서의 $a_\mu$에 대한 기본 가정을 의심하기.

제안 방법

• MSSM의 프레임워크 내에서 $M_W$, $B \to X_s\gamma$, $B_s \to \mu^+\mu^-$ 및 $a_\mu$ 등의 저에너지 관측량을 분석한다.
• MSSM에서의 반사성 보정을 적용하여 힉스 질량 예측을 평가하고, 자연스럽게 140 GeV 이하에 위치함을 보여준다.
• MSSM의 이중 힉스 듀블릿 모형(2HDM) 구조를 활용하여 정밀 측정 자료로부터 $\tan\beta$ 및 $m_A$에 대한 제약 조건을 유도한다.
• LHC 데이터가 색성 입자(색깔을 가진 입자)의 질량 제약 조건에 미치는 영향을 평가하고, 이를 비색성 영역 기여에 대한 함의를 분석한다.
• MSSM 매개변수 공간을 제약하는 데 있어 게이지 통합과 R-포탄 보존의 역할을 고려한다.
• 특히 뮤온 운동 방정식에서 복사장의 무시가 초래하는 $a_\mu$ 계산의 이론적 불확실성에 대해 검토하고, QED 고차항에서의 영향을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3–4σ 이격이 나타나는 뮤온 비례 자기모멘트는 자연스럽지 않은 큰 $\tan\beta$를 요구하지 않고도 MSSM 내에서 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 LHC에서의 스파article 질량 제약 조건은 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명하는 MSSM 시나리오의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 125 GeV 힉스 보존의 발견은 $a_\mu$와 LHC 데이터 간의 갈등에도 불구하고 MSSM을 어느 정도 지지하는가?
• RQ4 QED의 저주파수 문제는 $a_\mu$ 정밀 측정에 어떤 영향을 미치며, 이는 관측된 이상현상의 해석에 영향을 줄 수 있는가?
• RQ5 미래의 실험, 예를 들어 페르미랩 E989과 J-PARC의 뮤온 $g-2$ 실험은 $a_\mu$ 격차를 어떻게 해결하고 $\tan\beta$ 및 $\mu$를 제약 조건할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 뮤온 $(g-2)$의 $3-4\sigma$ 이격은 표준모형 이론과 실험 간의 명백한 격리가 나타나는 가장 정밀한 관측량이며, 상당한 새로운 물리학 기여가 필요하다.
• 125 GeV 근처의 힉스 보존 질량은 MSSM에 의해 강력하게 예측되며 초대칭에 대한 간접적이고 강력한 증거를 제공하지만, 이는 뮤온 $g-2$ 이상현상을 설명하기 위해 큰 $\tan\beta$가 필요하다는 점과 충돌한다.
• 관측된 이격을 설명하기 위해 $a_\mu$에 상당한 음성 기여를 생성하기 위해 큰 $\tan\beta$ 값이 필요하지만, 제3세대 스파article에 대한 LHC 제약 조건이 점점 더 이러한 값을 불리하게 만든다.
• $\tan\beta > m_t/m_b \approx 40$라는 요구 조건은 $y_b > y_t$의 역수 양자수 계열을 암시하며, 알려진 페르미온 질량의 맥락에서 자연스럽지 않게 보인다.
• 미래 실험인 페르미랩 E989는 $\delta a_\mu = 16 \times 10^{-11}$의 정밀도를 목표로 하며, 중심값이 그대로 유지될 경우 $3\sigma$ 이상현상이 $9\sigma$로 증폭될 수 있다.
• 특히 뮤온 역학에서 복사장을 간과한 $a_\mu$ 계산의 이론적 불확실성은 실험 결과의 해석에 영향을 미칠 수 있으며, QED 고차항에서의 추가 연구가 필요하다.