[논문 리뷰] Suppressed SUSY for the SU(5) Grand Unified Supergravity Theory

John A. Dixon|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 대칭이 자동으로 깨지는 것의 대안으로 초대칭 대칭의 억제(Suppressed SUSY)를 제안하며, 국소 초대칭의 제약 조건을 유지하면서 필드 구성 요소를 변화시키기 위해 교환 변환(Exchange Transformation)을 사용한다. 이 이론은 자연스럽게 0인 우주론적 상수를 예측하고, X/Y 보손과 힉스 다중구조체는 각각 플랑크 스케일 및 수퍼플랑크 스케일의 질량을 가지며, 플랑크 질량과 세 개의 무차원 매개변수만을 사용한다.

ABSTRACT

This paper starts with the most basic SU(5) Grand Unified Theory, coupled to Supergravity. Then it builds a new theory, incorporating the ideas of Suppressed SUSY. Suppressed SUSY is an alternative to the spontaneous breaking of SUSY. It does not need an invisible sector or explicit soft breaking of SUSY. It varies the content of the supermultiplets while keeping the restrictive nature of SUSY. For the simple model and sector constructed here, Suppressed SUSY has only three dimensionless parameters, plus the Planck mass. At tree level, this predicts a set of 8 different new masses, along with a cosmological constant that is naturally zero. The X and Y vector bosons get Planck scale masses $2 \sqrt{10} g_5 M_{ m P}$. The five scalar multiplets that accompany the Higgs, and the Gravitino, all get colossally huge `SuperPlanck' scale masses of order $M_{ m SP} \approx 10^{17} M_{ m P}$ from a see-saw mechanism that arises from the theory. This new mass spectrum, the well-known $SU(5)$ weak angle problem, and the cosmological constant value, should serve as guides for further modifications for the new Action.

연구 동기 및 목표

• 초대칭 대칭이 자동으로 깨지는 것의 예측 불가능성을 제거하기 위해, 초대칭 대칭이 자동으로 깨지는 것의 대안으로 Suppressed SUSY를 도입함으로써 초대칭 대칭이 자동으로 깨지는 것의 문제를 해결하고자 한다.
• MSSM의 과도한 매개변수화의 근본 원인인 은폐된 섹터나 명시적 소프트 초대칭 대칭 깨짐의 필요성을 제거하고자 한다.
• 세 개의 무차원 매개변수와 플랑크 질량만을 사용하는 최소한의 모형을 구축하여, 트리 수준에서 자연스럽게 0이 되는 우주론적 상수를 달성하고자 한다.
• Suppressed SUSY가 무거운 X/Y 보손과 시스템 메커니즘을 통해 안정화된 힉스 질량을 포함하는 타당한 질량 스펙트럼을 생성할 수 있는지 탐색하고자 한다.
• 약한 스케일 질량에서 초대칭 입자가 존재하지 않거나 매우 무거운 경우로 재분류함으로써, 뉴클레온 붕괴와 암흑물질의 가능성에 대해 재평가하고자 한다.

제안 방법

• 국소 초대칭의 마스터 방정식에 교환 변환(선형적이고 역행 가능하며 캐논ical 변환)을 적용하여, 소스와 필드를 바꾸어 이론의 양자화된 구성 요소를 재정의한다.
• 스칼라 포텐셜을 '세기 형식(Counting Form)'으로 재작성하여, 질량 생성을 가능하게 하는 수퍼포텐셜의 구조를 드러낸다.
• 스칼라 포텐셜의 진공 기대값이 트리 수준에서 우주론적 상수가 0이 되도록 보장하기 위해 '제곱근 질량 스타일 수퍼포텐셜'을 사용한다.
• Higgs 및 게이지 섹터의 질량 행렬을 명시적인 Mathematica 계산을 통해 유도하며, 이는 오직 $ g_1, g_2, g_5 $ 및 $ M_P $에 의존한다.
• 스칼라 다중구조체와 중성미노에 대해 시스템 메커니즘을 적용하여, 수퍼플랑크 스케일의 질량 $ M_{\rm SP} \to 10^{17} M_P $를 생성한다.
• 스쿼크, 슬레프톤, 가우진, 힉스아노를 스펙트럼에서 제거하면서도 전자기약대칭 깨짐을 만족시키기 위해 핵심적인 힉스 및 게이지 다중구조체를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Suppressed SUSY는 GUT에서 자동으로 깨지는 초대칭 대칭의 문제와 관련된 미세조정 문제와 은폐된 섹터 문제를 제거할 수 있는가?
• RQ2 교환 변환은 국소 초대칭의 엄격한 구조를 유지하면서도 물리적으로 타당한 질량 스펙트럼을 허용하는가?
• RQ3 Suppressed SUSY를 사용하여 SU(5) GUT-초중력 이론에서 트리 수준에서 자연스럽게 0이 되는 우주론적 상수를 달성할 수 있는가?
• RQ4 이 틀에서 시스템 메커니즘이 가벼운 힉스 보손 질량을 생성하면서도 다른 스칼라 및 게이지 보손들이 수퍼플랑크 또는 플랑크 스케일에 머무르게 할 수 있는가?
• RQ5 초대칭 입자가 약한 스케일 질량에서 존재하지 않고 억제된 경우, 뉴클레온 붕괴와 암흑물질에 대한 영향은 어떠한가?

주요 결과

• X 및 Y 보손은 플랑크 스케일의 질량 $ 2\bar{10}g_5 M_P $를 획득하며, 이는 SU(5) GUT 예측과 일치하지만 Suppressed SUSY에 의해 안정화된다.
• 다섯 개의 스칼라 다중구조체(힉스 8중항, 3중항, H⁺, 힉스₂, 힉스₃)와 중성미노는 모두 수퍼플랑크 스케일의 질량을 획득한다: $ M_{\rm SP} \to 10^{17} M_P $, 값은 0.68에서 2.05 $ M_{\rm SP} $ 사이로 변동한다.
• 초기 조건에서의 균형을 통해 슈퍼포텐셜의 구조와 '세기 형식' 재작성 덕분에 스칼라 포텐셜의 균형이 맞아 우주론적 상수가 트리 수준에서 자연스럽게 0이 된다.
• W 및 Z 보손의 질량은 비율 $ r = g_2/g_1 \to -2 - \frac{2f^2}{9} + O(f^4) $일 때 관측 결과와 일치하며, $ g_5 f \to M_W / M_P \to 10^{-17} $이 되어 정확한 전자기약대칭 깨짐을 보장한다.
• 가장 가벼운 중성 스칼라(힉스) 질량은 시스템 메커니즘에 의해 결정되며, 이는 $ f $와 $ g_5 $에 대한 $ g_1 $의 표현을 유도하여 일관된 질량 계층을 이룬다.
• 중성미노는 매우 무겁고(약 100만 톤) 안정적이며, 이는 루프 수준에서 붕괴 가능하도록 수정될 경우 암흑물질 후보로 기능할 수 있음을 시사한다.