[논문 리뷰] R-parity Conserving Minimal SUSY $B-L$ Model

Nobuchika Okada, Nathan Papapietro|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 MSSM의 최소 R-짝력 보존 초대칭 U(1)$_{B-L}$ 확장인, 오직 한 개의 오른쪽 뉘트리노 초스피어필드(Φ)만 R-짝력이 짝수인 모델을 제안한다. 이 모델에서 Φ의 스칼라 성분은 양자역학적 보정에 의해 발생하는 음수 질량 제곱항으로 인해 반사적 U(1)$_{B-L}$ 대칭 깨짐을 이끈다. 이 모델은 하나의 질량이 0인 상태를 가진 디락 뉘트리노를 도출하며, B-L 게이지 보손과 Φ의 페르미온 성분의 혼합으로부터 새로운 암흑물질 후보를 도입한다. 또한 LHC에서 Z′ 보손의 비가시성 붕괴 폭은 디락형과 메조라나형 오른쪽 뉘트리노를 구별할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a simple gauged U(1)$_{B-L}$ extension of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM), where R-parity is conserved as usual in the MSSM. The global $B-L$ (baryon number minus lepton number) symmetry in the MSSM is gauged and three MSSM gauge-singlet chiral multiplets with a unit $B-L$ charge are introduced, ensuring the model free from gauge and gravitational anomalies. We assign an odd R-parity for two of the new chiral multiplets and hence they are identified with the right-handed neutrino superfields, while an even R-parity is assigned to the other one ($Φ$). The scalar component of $Φ$ plays the role of a Higgs field to break the U(1)$_{B-L}$ symmetry through its negative mass squared, which is radiatively generated by the renormalization group running of soft supersymmetry (SUSY) breaking parameters from a high energy. This radiative U(1)$_{B-L}$ symmetry breaking leads to its breaking scale being at the TeV naturally. Because of our novel R-parity assignment, three light neutrinos are Dirac particles with one massless state. Since R-parity is conserved, the lightest neutralino is a prime candidate of the dark matter as usual. In our model, the lightest eigenstate of the mixture of the $B-L$ gaugino and the fermionic component of $Φ$ appears as a new dark matter candidate. We investigate phenomenology of this dark matter particle. We also discuss collider phenomenology of our model. In particular, the $B-L$ gauge boson ($Z'$), once discovered at the Large Hadron Collider, can be a probe to determine the number of (right-handed) Dirac neutrinos with its invisible decay width, in sharp contrast with the conventional $B-L$ extension of the SM or MSSM where the right-handed neutrinos are heavy Majorana particles and decay to the SM leptons.

연구 동기 및 목표

• R-짝력 보존과 U(1)$_{B-L}$ 대칭을 가진 MSSM의 최소 이상형 초대칭 확장 모델을 구축하기.
• R-짝력이 짝수인 오른쪽 스넬리노(Φ)의 부드러운 질량 제곱항이 음수로 반사적으로 생성되어 자연스럽게 TeV 스케일에서 U(1)$_{B-L}$ 대칭 깨짐을 달성하기.
• 세 개의 오른쪽 뉘트리노 초스피어필드 중 오직 두 개만 R-짝력이 홀수로 할당하여, 하나의 질량이 0인 상태를 가진 디락 뉘트리노를 실현하기.
• B-L 게이지 보손과 Φ의 페르미온 성분의 혼합으로부터 기존의 가장 가벼운 중성보와 다른 새로운 암흑물질 후보를 식별하기.
• 특히 Z′ 보손의 비가시성 붕괴 폭이 빛 뉘트리노의 디락 성질을 탐지하는 데 사용되는 충돌기 현상학적 특성 탐색하기.

제안 방법

• MSSM에 세 개의 오른쪽 뉘트리노 페르미온 초스피어필드를 도입하고, 그 중 하나(Φ)만 R-짝력이 짝수로 할당하고 나머지 두 개는 R-짝력이 홀수로 할당한다.
• Φ의 스칼라 성분을 U(1)$_{B-L}$ 대칭 깨짐의 힉스 필드로 사용하며, 부드러운 초대칭 깨짐 파rameters의 양자역학적 보정에 의해 질량 제곱항이 음수가 되도록 유도한다.
• 게이지 및 중력 이분기 조건을 유지하기 위해 정확히 세 개의 페르미온 다중체를 B-L 전하가 1인 것으로 설정하여 이분기 자유도 확보.
• Φ가 렙톤 이중체와 디락 요카다 상호작용을 통해 결합하지 않도록 초스피어 퍼텐셜을 구성함으로써 메조라나 질량 항을 방지하고 디락 뉘트리노 질량을 확보한다.
• 고에너지 스케일에서의 부드러운 초대칭 깨짐 파rameters의 보정군 분석을 수행하여, Φ의 스칼라 성분에 대해 음수 질량 제곱항이 자연스럽게 유도됨을 보여준다.
• 가장 가벼운 R-짝력 홀수 상태(χℓ)의 고립도를 계산하고, Z′ 보손의 s-채널 공진기로 인해 적절한 암흑물질 고립도가 자연스럽게 재현됨을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R-짝력 보존 초대칭 B-L 모델을 별도의 B-L 힉스 필드 없이 구성할 수 있는가? 이때 이분기 자유도와 자연스러운 TeV 스케일 대칭 깨짐을 보장할 수 있는가?
• RQ2 오직 하나의 오른쪽 뉘트리노 초스피어필드만 R-짝력이 짝수로 할당될 경우, 뉘트리노 질량 스펙트럼과 빛 뉘트리노의 디락 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 B-L 게이지 보손과 R-짝력이 짝수인 오른쪽 뉘트리노의 페르미온 성분의 혼합으로 형성된 새로운 암흑물질 후보의 현상학적 서명은 무엇인가?
• RQ4 이 모델에서 LHC에서 Z′ 보손의 비가시성 붕괴 폭이 디락형과 메조라나형 오른쪽 뉘트리노를 구별할 수 있는가?
• RQ5 반사적 U(1)$_{B-L}$ 대칭 깨짐 메커니즘이 부드러운 초대칭 깨짐 파rameters와 그 보정에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• R-짝력이 짝수인 오른쪽 뉘트리노 초스피어필드(Φ)의 스칼라 성분이 양자역학적 보정에 의해 음수 질량 제곱항을 생성함으로써 자연스럽게 TeV 스케일에서 U(1)$_{B-L}$ 대칭 깨짐이 발생한다.
• 메조라나 질량 항이 존재하지 않고 디락 요카다 상호작용이 두 개 뿐인 조건에서, 세 개의 빛 뉘트리노가 디락 입자로 나타나며, 그 중 하나는 질량이 0이다.
• 가장 가벼운 R-짝력 홀수 상태로 구성된 새로운 암흑물질 후보가 나타나며, 이는 B-L 게이지 보손과 Φ의 페르미온 성분의 혼합으로 이루어져 있다. 이 후보의 고립도는 Z′ 보손의 s-채널 공진기로 인해 질량이 Z′의 반값 근처일 경우 자연스럽게 재현된다.
• Z′ 보손의 비가시성 붕괴 폭은 빛 뉘트리노의 수에 민감하다. N(νR)=2일 경우 총 붕괴 폭은 N(νR)=0일 때보다 12% 더 크며, 1000 fb⁻¹의 루미너스티에서 High-Luminosity LHC에서 구별 가능하다.
• mZ′=3.5 TeV이고 gBL=0.25일 경우, Z′의 진동 질량 창문 MZ′±100 GeV 범위에서 N(νR)=2일 경우 892개의 신호 사건, N(νR)=0일 경우 1049개의 사건이 관측 가능하며, 이는 4–5σ의 의미 있는 차이를 보인다.
• 이 모델은 기존의 B-L 모델과는 대조적으로, 정밀한 Z′ 보손의 비가시성 붕괴 폭 측정을 통해 LHC에서 디락 뉘트리노를 새로운 방식으로 탐지할 수 있는 기회를 제공한다.