[논문 리뷰] Perturbative Unification and Higgs Boson Mass Bounds

K. S. Babu, Ilia Gogoladze외 1명|ArXiv.org|2004. 10. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 SU(5) 기본 표현과 스칼라 상태를 도입하여 MSSM의 최소적 확장을 제안하며, 측도 대칭을 통해 힉스 쌍중성자와 큰 요카다 상호작용을 통해 연결된다. 이로 인해 GUT 스케일까지 비가역적인 요카다 상호작용이 가능해져, 빛의 힉스 보손 질량을 200–300 GeV로 높이는 반사적 보정을 가능하게 하며, 측도 상수 통합과 양성자 붕괴 억제를 유지한다.

ABSTRACT

Supersymmetric extensions of the Standard Model generally give a theoretical upper limit on the lightest Higgs boson mass which may be uncomfortably close to the current experimental lower bound of $m_h$ > 114 GeV. Here we show ways in which this upper limit on $m_h$ can be relaxed substantially in the perturbative regime, while maintaining the successful unification of gauge couplings as observed in the minimal scenario. A class of models is presented, which includes new vector-like matter with the quantum numbers of the 5, 5-bar and singlet representations of SU(5) and having Yukawa couplings (κ) to the usual Higgs doublet $H_u$. This new matter transforms non-trivially under a "lateral" SU(N) gauge symmetry, which enables the new Yukawa couplings κto be sizable, even larger than the top-quark Yukawa coupling, and still be perturbative at all momenta up to the unification scale of 10^{16} GeV. We find that, consistent with low energy constraints, $m_h$ can be raised to values as large as 200 - 300 GeV.

연구 동기 및 목표

• MSSM의 이론적 상한 질량(~130 GeV)과 점점 커지는 실험적 하한 질량(>114 GeV) 사이의 갈등을 해결하고, 이로 인한 큰 미세조정을 피하기 위해
• 측도 상수 통합과 차원-6 양성자 붕괴 억제라는 MSSM의 핵심 특성을 유지하면서, MSSM의 한계를 훨씬 초월해 힉스 질량을 크게 높이기 위해
• 최소적 MSSM 확장이 양성자 붕괴 억제와 비가역적 통합을 포기하지 않고도 힉스 질량에 큰 반사적 보정을 생성할 수 있는지 탐색하기 위해
• 측도 대칭을 통해 힉스에 큰 요카다 상호작용을 가능하게 하되, GUT 스케일까지 비가역성을 유지하는 데서 중요한 역할을 하는 횡방향 SU(N) 측도 대칭의 역할을 조사하기 위해

제안 방법

• SU(5)의 5, 5̄ 및 스칼라 표현을 갖는 새로운 벡터-유사 물질 장을 도입하고, Hᵤ 힉스 쌍중성자와의 요카다 상호작용(κ)을 설정한다.
• SM 측도 군과 교환 가능한 새로운 '횡방향' SU(N) 측도 대칭을 가정하며, 이로 인해 요카다 상호작용 κ가 10¹⁶ GeV까지 비가역적으로 유지된다.
• 효과적 포텐셜과 반사적 보정을 사용하여 힉스 질량을 계산하며, 1- 및 2-루프 수준에서 (Hᵤ†Hᵤ)² 항이 지배적임을 중시한다.
• 부드러운 파괴 라그랑지안에 Aₖ 항을 포함하여 새로운 벡터-유사 상태의 좌우 혼합을 도입하며, 이는 큰 Xₖ = Aₖ/μₖ를 통해 힉스 질량 보정을 강화한다.
• 측도 상수와 요카다 상수의 고유값 방정식(RGEs)을 해결하여, 10¹⁶ GeV에서 통합이 이루어지고 저에너지 제약 조건과 일치함을 보장한다.
• αₗₐₜ(초기 요카다 상수), M_SUSY(SUSY 스케일), Aₖ 등을 변화시켜 mₕ에 대한 이들 입력의 의존도를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM의 빛의 힉스 질량 상한을 10¹⁶ GeV에서 비가역적 통합과 측도 상수 통합을 유지하면서 크게 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 차원-6 양성자 붕괴 억제와 통합을 유지하는 최소적 MSSM 확장에서 얻을 수 있는 최대 힉스 질량은 얼마인가?
• RQ3 톱 쿼크의 상호작용을 초월하는 큰 요카다 상호작용을 가진 새로운 벡터-유사 물질이, GUT 스케일까지 비가역적으로 유지될 경우 힉스 질량에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 벡터-유사 상태의 좌우 혼합이 힉스 질량 보정을 어떻게 강화하는가? 이는 SUSY 스케일에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 횡방향 SU(N) 측도 대칭이 비가역성을 위반하지 않고 큰 요카다 상호작용을 허용할 수 있으며, 이는 힉스 질량 상한에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SU(5) 양자수를 갖는 벡터-유사 물질과 Hᵤ와의 요카다 상호작용을 포함함으로써, 빛의 힉스 보손 질량이 비가역 영역에서 200–300 GeV로 높아질 수 있다.
• αₗₐₜ = 0.3 이고 M_SUSY = 1 TeV일 경우, 힉스 질량 상한은 MSSM의 131 GeV에서 213 GeV로 증가하며, Aₖ가 M_SUSY²에 따라 스케일링될 경우 230 GeV로 추가 상승한다.
• mₕ에 대한 M_SUSY의 주요 의존성은 벡터-유사 상태의 좌우 혼합에서 기인하며, 이는 Aₖ² ∼ M_SUSY² + M_V²일 때 최대가 된다.
• 모델은 10¹⁶ GeV에서 비가역적 측도 상수 통합을 유지하며, 차원-6 양성자 붕괴를 수용 가능한 수준으로 억제한다.
• 250 GeV 이하의 힉스 질량에서는 추가적인 미세조정이 거의 없으며, 정밀 전자약력 측정 데이터와도 일치하는 현상학적 타당성을 갖는다.
• mₕ의 상한은 횡방향 SU(N) 측도 상수의 β-함수가 0일 때 최대가 되며, β = -3이어도 상한이 높게 유지되어 강건성을 보여준다.