[논문 리뷰] Metastable SUSY breaking within the Standard Model

Steven Abel, Valentin V. Khoze|ArXiv.org|2007. 01. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 전자기약력 부문에 직접적으로 메타안정적인 초대칭(SUSY) 위반 메커니즘을 제안하며, $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 부문에 임bed된 ISS 유형의 O'Raifeartaigh 모델을 사용한다. $h \gg 1$인 강한 결합을 가진 힉스 장을 도입함으로써, 큰 글루아노 질량을 생성하고 전자기약력 대칭 붕괴를 SUSY 위반과 연결함으로써, $M_{\tilde{g}} \sim 100$ GeV인 장수명의 메타안정 진공을 생성한다. 이는 안정적인 저에너지 효과 이론을 유도한다.

ABSTRACT

We construct a supersymmetric version of the Standard Model which contains a long-lived metastable vacuum. In this vacuum supersymmetry is broken and the electroweak symmetry is Higgsed, and we identify it with the physical ground state of the Standard Model. In our approach the metastable supersymmetry breaking (MSB) occurs directly in the SU(2)_L x U(1)_Y sector of the Standard Model; it does not require a separate MSB sector and in this way it departs from the usual lore. There is a direct link between the electroweak symmetry breaking and the supersymmetry breaking in our model, both effects are induced by the same Higgs fields. In order to generate sufficiently large gluino masses we have to have strong coupling in the Higgs sector, h >> 1. Our model results in an extremely compact low-energy effective theory at the electroweak scale with Higgs fields being very heavy, M_{Higgs} >> M_W and frozen at their vacuum expectation values.

연구 동기 및 목표

• 보이는 부문 내에서 장수명의 메타안정 진공에서 SUSY 위반이 발생하는 초대칭 표준모형의 확장 구조를 구축하는 것.
• 별도의 은신 부문이 필요 없도록, 메타안정적 SUSY 위반을 직접 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 힉스 부문에 통합하는 것.
• 동일한 힉스 장을 통해 전자기약력 대칭 붕괴와 SUSY 위반을 연결함으로써 두 현상 간의 자연스러운 연결 고리를 확보하는 것.
• 고에너지 스케일의 $F$-항을 필요로 하지 않고, 힉스 부문에서의 강한 결합($h \gg 1$)을 통해 현상학적으로 타당한 글루아노 질량을 도출하는 것.
• ISS 유형 모델에서의 메타안정적 SUSY 위반의 고유한 성질을 활용하여, 전통적인 금지 정리(Nelson-Seiberg, 질량 합 규칙)를 피하는 것.

제안 방법

• MSSM의 전자기약력 부문에 ISS 유형의 O'Raifeartaigh 모델을 임베딩하여, 추가적인 힉스 세대를 도입함으로써 $SU(2)_L$에서 스케일 $\Lambda_L$에서 강한 결합을 유도한다.
• 추가된 $\Phi_{ij}$, $f_i$, $\tilde{f}_i$ 장을 포함한 초위상능을 도입하여, $\Phi_{33}$과 $\Phi_{44}$에 대해 비영인 $F$-항을 가지는 메타안정 진공을 생성한다.
• $\Lambda_L$에서 $SU(2)_L$ 게이지 결합의 랜드 포인트를 이용하여, 이 스케일 이상에서의 UV 완성 필요성을 암시하지만, 그 형태는 현상학적으로 중요하지 않다.
• 경량 질량 고유상태 $\xi_\pm$를 포함하는 루프에서 유도된 효과적 연산자 $W_R = \kappa \frac{g_A^2}{16\pi^2} \frac{\mathrm{Tr}(\Phi)}{m_R} W_A^\alpha W_\alpha^A$를 구성하여, 게이지노에 메이저나 질량을 생성한다.
• 장 필드 공간의 분리가 크기 때문에, 봉우리 행동 $S_E \gtrsim 400$이 되도록 매개변수를 조정하여 메타안정성을 확보함으로써, 우주론적 시간 척도에서의 진공 붕괴를 억제한다.
• $m_R \sim \mu \sim 100$ GeV과 $h\kappa \gg 1$로 설정하여, $M_{\lambda_A} \sim \mu \sim 100$ GeV를 달성함으로써 관측된 글루아노 질량 기대치와 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은신 부문이 없이도, 표준모형의 보이는 전자기약력 부문 내에서 메타안정적 SUSY 위반이 직접 실현될 수 있는가?
• RQ2 SUSY 위반이 전자기약력 대칭 붕괴와 연결된 이론에서 큰 글루아노 질량은 어떻게 생성될 수 있는가?
• RQ3 Nelson-Seiberg 금지 정리와 $\mathrm{Tr}(M^2) = 0$ 합 규칙은 메타안정적 SUSY 위반 진공에서 어떻게 피할 수 있는가?
• RQ4 메타안정 진공이 우주론적으로 타당하게 장수명일 수 있도록 하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 $SU(2)_L$ 부문의 강한 결합 힉스 부문이 자연스럽게 전자기약력 붕괴와 SUSY 위반을 동시에 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 $\Phi_{33}$과 $\Phi_{44}$에 대해 비영인 $F$-항을 가지며, $F_{\Phi_{11}} = F_{\Phi_{22}} = 0$이므로, 비초대칭적이지만 장수명인 기초 상태를 보장한다.
• 메타안정 상태의 진공 에너지는 $V_+ = |h|^2(|\mu_3|^4 + |\mu_4|^4)$이며, 이는 새로운 후보 진공보다 높아 메타안정성을 보장한다.
• 봉우리 행동 $S_E \sim 4\pi^2 / \kappa^2$는 $\kappa \lesssim 0.3$로 선택함으로써 $\gtrsim 400$이 되게 할 수 있으며, 이는 우주론적 시간 척도에서의 진공 붕괴를 억제한다.
• 효과적 연산자 $W_R$는 게이지노에 메이저나 질량을 생성하며, $M_{\lambda_A} = h\kappa \frac{g_A^2}{16\pi^2} \frac{\mu_3^2}{m_R}$로 주어지며, $h\kappa \gg 1$일 경우 $M_{\lambda_A} \sim 100$ GeV가 된다.
• 이론은 힉스 장이 그들의 진공 기대값에서 굳어져 있는 조건에서 $M_{\text{Higgs}} \gg M_W$를 달성하며, 전자기약력 스케일에서 압축된 저에너지 효과 이론을 유도한다.
• 비일반적인 메타안정적 ISS 진공의 구조는 R-대칭을 위반하지만 무거운 축상자 없이, Nelson-Seiberg 및 $\mathrm{Tr}(M^2) = 0$ 정리를 피할 수 있다.