[논문 리뷰] Simply Unnatural Supersymmetry

Nima Arkani–Hamed, A. Gupta외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 163

한 줄 요약

이 논문은 게이지노가 약 1 TeV에 가까운 반면 스칼라와 힉신오는 순환 보정과 이물질에 의한 붕괴로 인해 100–1000 TeV에 위치한 최소한의, '단순히 비자연스러운' 초대칭 모형을 제안한다. 이 모형은 게이지 노름 통합과 어둠마 물질의 잔류 밀도를 유지하며, 고차원 연산자를 통한 글루아노 붕괴로 인해 이질적인 서명, 예를 들어 이격된 정점과 희귀한 힉스/Z 붕괴를 제공하여 LHC와 향후 충돌기에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 검증할 수 있는 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

The current measurement of the Higgs mass, the ubiquitous nature of loop-suppressed gaugino masses in gravity-mediated supersymmetry breaking, relic dark matter density from $\sim$ TeV mass gauginos, together with the success of supersymmetric gauge coupling unification, suggest that scalar superpartner masses are roughly $m_{sc} \sim$ 100-1000 TeV. Higgsino masses, if not at the Planck scale, should generically appear at the same scale. The gaugino mass contributions from anomaly mediation, with the heavy Higgsino threshold, generally leads to a more compressed spectrum than standard anomaly mediation, while the presence of extra vector-like matter near $m_{sc}$ typically leads to an even more compressed spectrum. Heavy Higgsinos improve gauge coupling unification relative to the MSSM. Heavy scalars suggest new possibilities for flavor physics -- large flavor violations in the soft masses are now allowed, yielding interesting levels for new FCNC's, and re-opening the attractive possibility of a radiatively generated fermion mass hierarchy. Gluinos and binos/winos must decay through higher dimension operators, giving a unique handle on the presence of new physics the scale $m_{sc}$. Gluino decays should be spectacular, for example yielding events with four tops -- at modestly displaced vertices -- and two Higgses plus missing energy. The high scale $m_{sc}$ can also be probed in flavor-violating gluino decays, as well as a specific pattern of gluino branching ratios to the third generation. Finally, with heavy Higgsinos, the dominant decay for neutral winos and binos proceeds via the Higgs $ ilde b o ilde w h$. The heaviness of the Higgsinos can be inferred from the branching ratio for the rare decay $ ilde b o ilde w Z$.

연구 동기 및 목표

• 관측된 힉스 보손 질량(~125 GeV)과 어둠마 물질의 잔류 밀도를 설명하면서 새로운 동역학이나 복잡한 모형 설계 없이도 최소한의 명시적 미세조정이 가해진 초대칭 모형을 제안하는 것.
• LHC에서 새로운 물리학이 발견되지 않은 상황에서 자연성과의 괴리 문제를 해결하기 위해 스칼라 수반 입자들이 무거운(100–1000 TeV) 반면 게이지노는 가벼운(~1 TeV) '최소한의 분리된 스펙트럼'을 가정하는 것.
• 게이지 노름 통합과 WIMP 어둠마 물질의 성공을 유지하면서도 큰 플레버 위반 소프트 항목과 반복적으로 생성된 페르미온 질량 계층을 허용하는 것.
• 이 스펙트럼의 실험적으로 검증 가능한 서명을 특정화하는 것, 특히 고차원 연산자를 통한 글루아노 붕괴를 통해 나타나는 특징적인 최종 상태, 예를 들어 이격된 정점과 희귀한 힉스/Z 붕괴를 포함한다.

제안 방법

• 무거운 힉신오를 가진 이물질에 의한 초대칭 붕괴(AMSB)를 채택하여, 윈오와 빈오 질량이 약 1 TeV에 가까운 압축된 게이지노 스펙트럼을 형성한다.
• 순환 보정을 통해 게이지노 질량(~1 TeV)과 스칼라 수반 입자 질량(100–1000 TeV) 사이의 계층을 설명하며, 후자는 순환 인자와 무거운 힉신오 임계값에 의해 결정된다.
• 고차원 연산자를 통한 글루아노 붕괴 체인을 분석하여, 장수명의 글루아노와 네트워크의 특징적인 최종 상태(예: 네 개의 톰스, 두 개의 힉스 보손, 그리고 빠진 에너지)를 유도한다.
• 중성 윈오와 빈오 붕괴의 분해율을 평가하며, 특히 희귀한 붕괴 모드 $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$ 를 통해 힉신오 질량 체계를 탐색한다.
• 플레버 위반 글루아노 붕괴와 제3세대에 특화된 분해율을 분석하여, $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV에서의 고에너지 물리학을 간접적으로 탐지한다.
• 큰 A-항목의 부재와 토프 스핀 측정 결과를 이용하여 스칼라 질량 스펙트럼을 제약하고 전자약 대칭 붕괴에 의한 수정 사항을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 명시적 미세조정이 가해진 초대칭 모형이 새로운 동역학이나 복잡한 모형 설계 없이 관측된 힉스 질량(~125 GeV)과 어둠마 물질의 잔류 밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 게이지노가 약 1 TeV, 스칼라/힉신오가 100–1000 TeV에 위치한 '최소한의 분리된' 슈퍼대칭 스펙트럼의 고유한 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ3 글루아노 붕괴에서 고차원 연산자가 어떻게 이격된 정점, 네 개의 톰스, 또는 두 개의 힉스 보손과 함께 빠진 에너지를 포함한 특징적인 최종 상태를 유도하는가?
• RQ4 희귀한 붕괴 모드 $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$ 를 통해 힉신오 질량 체계를 탐지할 수 있으며, 분해율은 기초 체계에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 플레버 위반 글루아노 붕괴와 제3세대에 특화된 분해율은 $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV에서의 고에너지 물리학을 얼마나 잘 간접적으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 이 모형은 게이지노가 약 1 TeV에 위치하고 스칼라 수반 입자와 힉신오가 순환 보정과 이물질에 의한 붕괴로 인해 100–1000 TeV에 위치한 '최소한의 분리된 스펙트럼'을 예측한다.
• 글루아노 붕괴는 고차원 연산자를 통해 일어나며, 네 개의 톰스가 약간 이격된 정점에서 발생하는, 두 개의 힉스 보손과 함께 빠진 에너지가 있는, Z 보손으로의 희귀한 붕괴를 포함한 놀라운 최종 상태를 유도한다.
• $\tilde{b} \to \tilde{w}Z$ 의 분해율은 힉신오 질량 체계를 직접 탐지하는 데 기여하며, 이는 무거운 힉신오 임계값에 민감하게 반응한다.
• 플레버 위반 글루아노 붕괴와 제3세대에 특화된 분해율은 $m_{sc} \sim 100-1000$ TeV에서의 고에너지 물리학에 대한 간접적 증거를 제공한다.
• 이 모형은 1–3 TeV 범위의 게이지노에서 게이지 노름 통합과 정확한 어둠마 물질 잔류 밀도를 유지하며, WIMP 어둠마 물질과 일치한다. 동시에 소프트 질량에서 큰 플레버 위반을 허용한다.
• 만약 힉스 질량이 약 ~125 GeV로 확인되고 LHC에서 새로운 물리학이 발견되지 않는다면, 이 모형은 명확한 실험적 서명, 특히 글루아노 붕괴 최종 상태에서의 서명을 제공하는 설득력 있고 최소한의 설명이 된다.